MRT-studie utmanar vår kunskap om hur den mänskliga hjärnan fungerar – Physics World

MRT-studie utmanar vår kunskap om hur den mänskliga hjärnan fungerar – Physics World

Tidsstämpel: 6 juli 2023 5:00

James Pang och Alex Fornito
Hjärnans form Monash Universitys forskare James Pang (till vänster) och Alex Fornito studerade över 10,000 XNUMX MRI för att fastställa att hjärnans geometri påverkar dess aktivitet. (Med tillstånd: Monash University)

Hur fungerar den mänskliga hjärnan? Det beror på vem du frågar.

I skolan lärde du dig troligen att våra hjärnor innehåller miljarder neuroner som bearbetar input och hjälper oss att bilda tankar, känslor och rörelser. Fråga avbildningsspecialister så får du veta hur vi kan se hjärnan på olika sätt med hjälp av en mängd olika bildtekniker och om vad vi kan lära oss av varje bild. Neurovetenskapsmän kommer också att berätta om interaktionerna mellan neuroner och relaterade kemikalier, såsom dopamin och serotonin.

Om du frågar en undergrupp av neuroforskare som fokuserar på matematiska ramar för hur hjärnans form påverkar dess aktivitet – ett område inom matematisk neurovetenskap som kallas neuralfältteori – kommer du att börja förstå sambandet mellan hjärnans form, struktur och funktion på ännu ett annat sätt .

Neural fältteori bygger på vår konventionella förståelse av hur hjärnan fungerar. Den använder hjärnans fysiska form – cortex storlek, längd och krökning och den tredimensionella formen av subcortex – som en ställning på vilken hjärnaktivitet sker över tid och rum. Forskare modellerar sedan hjärnans makroskopiska elektriska aktivitet med hjälp av hjärnans geometri för att införa begränsningar. Elektrisk aktivitet längs cortex, till exempel, kan modelleras som en överlagring av vandringsvågor som fortplantar sig genom ett ark av neural vävnad.

"Tanken att hjärnans geometri kan påverka eller begränsa vilken aktivitet som än händer inuti är inte en konventionell neurovetenskaplig fråga, eller hur? Det är en väldigt esoterisk fråga... Det har funnits årtionden av arbete med att försöka kartlägga hjärnans invecklade ledningar, och vi har trott att all aktivitet som kommer ut ur hjärnan drivs av denna intrikata ledning”, säger James Pang, en forskare vid Monash University's Turner Institute for Brain and Mental Health.

I en studie som publiceras i Natur, Pang och hans kollegor har utmanat denna rådande förståelse genom att identifiera ett starkt samband mellan hjärnans form och funktionell MRI (fMRI) aktivitet.

Forskarna studerade naturliga resonanser som kallas egenmoder, som uppstår när olika delar av ett system vibrerar med samma frekvens, till exempel de excitationer som uppstår i hjärnan under en uppgiftsframkallad fMRI-skanning. När de tillämpade matematiska modeller från neuralfältteori på över 10,000 XNUMX aktivitetskartor och fMRI-data från Human Connectome Project, fann forskarna att kortikal och subkortikal aktivitet är resultatet av excitation av hjärnomfattande egenmoder med långa rumsliga våglängder upp till och överstigande 6 cm. Detta resultat står i kontrast till en ledande uppfattning om att hjärnans aktivitet är lokaliserad.

"Vi har länge trott att specifika tankar eller förnimmelser framkallar aktivitet i specifika delar av hjärnan, men den här studien avslöjar att strukturerade aktivitetsmönster exciteras över nästan hela hjärnan, precis som det sätt på vilket en musikton uppstår från vibrationer som uppstår längs hela längden av en fiolsträng, och inte bara ett isolerat segment”, säger Pang i ett pressmeddelande.

Pang och hans kollegor jämförde också hur geometriska egenmoder, erhållna från modeller av hjärnans form, presterade i förhållande till connectome egenmoder, som erhålls från modeller för hjärnanslutning. De fann att geometriska egenmoder satte större gränser för hjärnaktivitet än connectome egenmoder, vilket tyder på att hjärnans konturer och krökning starkt påverkar hjärnaktiviteten - kanske till och med i större utsträckning än den komplexa sammankopplingen mellan populationer av neuroner själva.

Enkelt uttryckt utmanar forskarnas resultat vår kunskap om hur den mänskliga hjärnan fungerar.

"Vi säger inte att anslutningen i din hjärna inte är viktig", säger Pang. "Vad vi säger är att formen på din hjärna också har ett betydande bidrag. Det är högst troligt att båda världarna har en viss synergi...det har funnits årtionden och decennier av arbete från båda sidor av forskningen inom neurala fältteorivärlden och anslutningsvärlden, och båda är viktiga, enligt min åsikt. Den här studien öppnar upp för så många möjligheter – vi skulle kunna studera hur geometriska egenmoder varierar genom neuroutveckling eller störs av till exempel kliniska störningar. Det är ganska spännande.”

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden