Ny avbildningsplattform avslöjar den neuronala grunden för ett drivande sinne

När dagdrömmde du senast? Utan att ägna särskild uppmärksamhet åt omvärlden, engagerad i introspektion eller minnesåterkallelse, känns ditt mentala tillstånd förändrat. Denna skillnad återspeglas i globala mönster av hjärnaktivitet – standardlägesnätverket (DMN). Identifierad för 20 år sedan och i fokus för mycket forskningsaktivitet sedan dess, kopplar DMN samman flera hjärnregioner genom distinkta lågfrekventa svängningar.

"DMN anses också spela en nyckelroll i en mängd olika neurologiska och psykiatriska störningar, inklusive Alzheimers sjukdom, schizofreni, depression och autism", säger Tzu-Hao Harry Chao från University of North Carolina vid Chapel Hill's neurologiska avdelningen. "Att förstå hur DMN fungerar i hälsa och sjukdom kan leda till nya behandlingar och interventioner för dessa tillstånd."

Motiverade av dessa mål har Chao och kollegor kombinerat funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) med en fiberfotometrisensor som mäter cellulära kalciumnivåer för att förstå hur olika hjärnregioner går samman för att etablera och störa DMN i råtthjärnor. De rapporterar sina fynd i Vetenskap Förskott.

När man studerar storskalig hjärnanslutning är det utmanande att utnyttja enskilda neuroner, särskilt i djupa hjärnregioner. För att undersöka globala egenskaper använder neuroforskare därför ofta en proxy för neuronaktivitet.

"Till exempel upptäcker fMRI förändringar i blodets syresättning/flöde till olika delar av hjärnan, som tros återspegla förändringar i neuronaktivitet", förklarar Chao och varnar för att "det här förhållandet mellan blodflöde och neuronaktivitet inte alltid är okomplicerat, och det kan finnas många källor till brus och variation i fMRI-signaler." För att komplettera fMRI-data med ett direkt mått på neuronaktivitet, utvecklade forskargruppen en fMRI-kompatibel optisk bildåtergivningsplattform som ger neuronal avläsning på flera platser från råtthjärnor.

Under signalöverföring från en neuron till en annan kommer kalciumjoner in i cellen som svar på en aktionspotential, vilket utlöser frisättningen av neurotransmittorer i synapsen. För experimenten använde teamet genetiskt modifierade råttor som bär på ett kalciumkänsligt protein. Proteinet "genomgår en konformationsförändring som svar på kalciumbindning, vilket leder till ökad fluorescensintensitet som kan användas för att upptäcka förändringar i intracellulära kalciumnivåer", säger Chao.

Forskarna synkroniserade en fMRI-maskin till en fiberfotometriplattform som kan upptäcka förändringar i cellulär kalciumkoncentration samtidigt i fyra hjärnregioner. De skannade sedan hjärnan på sövda gnagare för förändringar i DMN-aktivitet, som de anpassade till kalciumdata.

Tre av de fyra observerade hjärnregionerna uppvisade ökad neural aktivitet precis innan DMN etablerades, medan aktiviteten i den fjärde regionen – den främre insulära cortexen – var signifikant sänkt. Detta är intressant eftersom den främre insulära cortexen spelar en roll i salience-nätverket (SN), ett alternativt hjärnanslutningstillstånd förknippat med uppmärksamhet.

Däremot, vid DMN-deaktivering, hämmades aktiviteten i de tre DMN-associerade regionerna, medan den främre insulära cortexsignalen spetsade runt 8 sekunder innan DMN stängdes av. Efter statistisk analys avslöjar dessa observationer att främre insulär cortexaktivitet har ett negativt kausalt inflytande på de andra DMN-hjärnregionerna.

Forskarna härledde också en modell av fem latenta hjärntillstånd kompletta med en cykel av troliga övergångar mellan dem. Eftersom i vissa av dessa latenta tillstånd den främre insulära cortex korrelerar med de andra regionerna, medan det i andra tillstånd finns en anti-relation, drar Chao slutsatsen att "topologin för storskaliga hjärnnätverk kan vara mycket dynamisk, och dessa nätverk kan vara något överlappande istället för tydligt åtskilda”. Den väg genom vilken den främre insulära cortex inducerar DMN-undertryckning kräver dock ytterligare undersökning, vilket teamet hoppas kunna uppnå i framtida arbete.

Utredarna studerade också hjärnan hos vakna råttor med kalciummätningstekniken. Med hjälp av ett udda paradigm, där råttorna lyssnade på repetitiva toner med en tillfällig udda-en-ut, fann de ett kausalt nätverk mellan de studerade hjärnregionerna, återigen med den främre insulära cortex som har en hämmande roll på andra DMN-associerade regioner.

Experiment på vakna råttor innehöll inte fMRI eftersom konventionella fMRI-insamlingar är mycket högljudda, vilket kan orsaka stress för djuret. "Hos människor kan vi använda öronproppar plus hörselkåpor för att minimera det akustiska bruset för att påverka människor," förklarar Chao. "Detta är praktiskt taget svårare för oss att efterlikna hos gnagare, delvis på grund av att deras skallar är väldigt tunna för att det akustiska ljudet lätt ska kunna tränga in. Med detta sagt arbetar vi verkligen med att utföra fMRI i vakna möss med en ny tyst fMRI-teknik."

Teamet utvecklar kalciumsensormetoden ytterligare genom att inkludera fler kanaler för att möjliggöra datainsamling från två försökspersoner samtidigt. "Denna uppgradering kommer att göra det möjligt för oss att undersöka DMN- och SN-rollerna i social interaktion med hjälp av gnagarmodeller. Vi har ett aktivt samarbete kring detta ämne med Vinod Menons labb vid Stanford University”, säger Chao.

Samtidigt EEG och fMRI mäter sömn "tröghet"

Han är övertygad om att deras forskning "banar väg för framtida translationella studier med gnagarmodeller för att undersöka den cellulära grunden för storskaliga, funktionellt och beteendemässigt signifikanta hjärnnätverk i den friska hjärnan, och de neuronala mekanismerna som leder till nätverksdysfunktion vid hjärnstörningar. ”.

"[Det] har potential att förändra landskapet av fMRI och den kunskap som erhålls kommer att ha omfattande konsekvenser för design, analys och tolkning av mänsklig hjärna fMRI-data," säger Chao Fysikvärlden.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/novel-imaging-platform-reveals-the-neuronal-basis-of-a-drifting-mind/