Študija MRI izpodbija naše znanje o delovanju človeških možganov – svet fizike

Študija MRI izpodbija naše znanje o delovanju človeških možganov – svet fizike

Časovni žig: 6. julij 2023 5

James Pang in Alex Fornito
Oblika možganov Raziskovalca z univerze Monash James Pang (levo) in Alex Fornito sta preučevala več kot 10,000 MRI, da bi ugotovila, da geometrija možganov vpliva na njihovo aktivnost. (Z dovoljenjem: Univerza Monash)

Kako delujejo človeški možgani? Odvisno koga vprašaš.

V šoli so vas verjetno učili, da naši možgani vsebujejo milijarde nevronov, ki obdelujejo vnose in nam pomagajo oblikovati misli, čustva in gibe. Vprašajte strokovnjake za slikanje in izvedeli boste, kako lahko vidimo možgane na različne načine z uporabo različnih tehnik slikanja in o tem, kaj se lahko naučimo iz posamezne slike. Nevroznanstveniki vam bodo povedali tudi o interakcijah med nevroni in sorodnimi kemikalijami, kot sta dopamin in serotonin.

Če vprašate podskupino nevroznanstvenikov, ki se osredotočajo na matematične okvire o tem, kako oblika možganov vpliva na njihovo aktivnost – področje matematične nevroznanosti, imenovano teorija nevronskih polj –, boste začeli razumeti razmerje med obliko, strukturo in funkcijo možganov na še en način. .

Teorija nevronskega polja temelji na našem običajnem razumevanju delovanja možganov. Uporablja fizično obliko možganov – velikost, dolžino in ukrivljenost korteksa ter tridimenzionalno obliko podkorteksa – kot ogrodje, na katerem poteka možganska aktivnost v času in prostoru. Znanstveniki nato modelirajo možgansko makroskopsko električno aktivnost z uporabo možganske geometrije, da naložijo omejitve. Električno aktivnost vzdolž korteksa bi na primer lahko modelirali kot superpozicijo potujočih valov, ki se širijo skozi plast živčnega tkiva.

»Zamisel, da lahko geometrija možganov vpliva ali omejuje kakršno koli dejavnost, ki se zgodi v notranjosti, ni konvencionalno nevroznanstveno vprašanje, kajne? To je zelo ezoterično vprašanje ... Desetletja dela smo poskušali preslikati zapleteno ožičenje možganov in mislili smo, da vso dejavnost, ki izhaja iz možganov, poganja to zapleteno ožičenje,« pravi. James Pang, raziskovalec na univerzi Monash Turnerjev inštitut za možgane in duševno zdravje.

V študiji, objavljeni v Narava, Pang in njegovi kolegi so izpodbijali to prevladujoče razumevanje z ugotavljanjem močne povezave med obliko možganov in funkcionalno aktivnostjo MRI (fMRI).

Raziskovalci so proučevali naravne resonance, imenovane lastni načini, ki se pojavijo, ko različni deli sistema vibrirajo na isti frekvenci, kot so vzburjenja, ki se pojavijo v možganih med skeniranjem fMRI, ki ga povzroči naloga. Ko so uporabili matematične modele iz teorije nevronskih polj na več kot 10,000 zemljevidih ​​dejavnosti in podatke fMRI iz Projekt Human Connectome, so raziskovalci ugotovili, da je kortikalna in subkortikalna aktivnost posledica vzbujanja možganskih lastnih načinov z dolgimi prostorskimi valovnimi dolžinami do in več kot 6 cm. Ta rezultat je v nasprotju z vodilnim prepričanjem, da je možganska aktivnost lokalizirana.

»Dolgo smo mislili, da posebne misli ali občutki izzovejo aktivnost v določenih delih možganov, vendar ta študija razkriva, da so strukturirani vzorci dejavnosti vzburjeni v skoraj vseh možganih, tako kot način, na katerega glasbena nota nastane zaradi vibracij, ki se pojavljajo vzdolž celotno dolžino violinske strune in ne le izoliran segment,« pravi Pang v izjavi za javnost.

Pang in njegovi kolegi so primerjali tudi, kako so geometrijski lastni načini, pridobljeni iz modelov oblike možganov, delovali glede na lastne načine povezovanja, ki so pridobljeni iz modelov povezljivosti možganov. Ugotovili so, da geometrijski lastni načini nalagajo večje omejitve na možgansko aktivnost kot konektomski lastni načini, kar kaže na to, da konture in ukrivljenost možganov močno vplivajo na možgansko aktivnost – morda celo v večji meri kot kompleksna medsebojna povezljivost med samimi populacijami nevronov.

Preprosto povedano, rezultati znanstvenikov izzivajo naše znanje o delovanju človeških možganov.

»Ne trdimo, da povezljivost v vaših možganih ni pomembna,« pravi Pang. »Pravimo, da pomembno prispeva tudi oblika vaših možganov. Zelo verjetno je, da imata oba svetova nekaj sinergije ... na obeh straneh raziskav v svetu teorije nevronskih polj in svetu povezljivosti je bilo desetletja in desetletja dela in po mojem mnenju sta oba pomembna. Ta študija odpira toliko možnosti - lahko bi preučevali, kako se geometrijski lastni načini spreminjajo skozi nevrorazvoj ali jih na primer motijo ​​klinične motnje. To je zelo razburljivo."

Časovni žig:

Več od Svet fizike