การศึกษา MRI ท้าทายความรู้ของเราเกี่ยวกับวิธีการทำงานของสมองมนุษย์ - โลกฟิสิกส์

การศึกษา MRI ท้าทายความรู้ของเราเกี่ยวกับวิธีการทำงานของสมองมนุษย์ - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 6 กรกฎาคม 2023 5:00 น

เจมส์ แปง และ อเล็กซ์ ฟอร์นิโต
รูปร่างของสมอง James Pang นักวิจัยแห่งมหาวิทยาลัย Monash (ซ้าย) และ Alex Fornito ศึกษา MRI มากกว่า 10,000 ภาพเพื่อระบุว่ารูปทรงเรขาคณิตของสมองมีอิทธิพลต่อกิจกรรมของมัน (เอื้อเฟื้อ: มหาวิทยาลัยโมนาช)

สมองของมนุษย์ทำงานอย่างไร? ขึ้นอยู่กับว่าคุณถามใคร

ที่โรงเรียน คุณมักจะได้รับการสอนว่าสมองของเรามีเซลล์ประสาทหลายพันล้านเซลล์ที่ประมวลผลอินพุตและช่วยเราสร้างความคิด อารมณ์ และการเคลื่อนไหว ถามผู้เชี่ยวชาญด้านการถ่ายภาพ แล้วคุณจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับวิธีที่เรามองเห็นสมองในรูปแบบต่างๆ โดยใช้เทคนิคการถ่ายภาพที่หลากหลาย และเรียนรู้สิ่งที่เราสามารถเรียนรู้ได้จากแต่ละภาพ นักประสาทวิทยาจะบอกคุณเกี่ยวกับปฏิกิริยาระหว่างเซลล์ประสาทกับสารเคมีที่เกี่ยวข้อง เช่น โดปามีนและเซโรโทนิน

หากคุณถามนักประสาทวิทยาศาสตร์กลุ่มย่อยที่มุ่งเน้นไปที่กรอบความคิดทางคณิตศาสตร์ว่ารูปร่างของสมองมีอิทธิพลต่อกิจกรรมของมันอย่างไร ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของประสาทวิทยาศาสตร์ทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าทฤษฎีสนามประสาท คุณจะเริ่มเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างรูปร่าง โครงสร้าง และการทำงานของสมองในอีกทางหนึ่ง .

ทฤษฎีสนามประสาทสร้างขึ้นจากความเข้าใจดั้งเดิมของเราเกี่ยวกับวิธีการทำงานของสมอง มันใช้รูปร่างทางกายภาพของสมอง - ขนาด ความยาว และความโค้งของคอร์เทกซ์ และรูปร่างสามมิติของคอร์เทกซ์ย่อย - เป็นฐานรองรับการทำงานของสมองที่เกิดขึ้นตามกาลเวลาและพื้นที่ จากนั้น นักวิทยาศาสตร์จำลองกิจกรรมทางไฟฟ้าด้วยกล้องจุลทรรศน์ของสมองโดยใช้รูปทรงเรขาคณิตของสมองเพื่อกำหนดข้อจำกัด กิจกรรมทางไฟฟ้าตามเยื่อหุ้มสมอง เช่น อาจถูกจำลองเป็นการวางซ้อนของคลื่นเคลื่อนที่ที่แพร่กระจายผ่านแผ่นเนื้อเยื่อประสาท

“แนวคิดที่ว่ารูปทรงเรขาคณิตของสมองสามารถมีอิทธิพลหรือจำกัดกิจกรรมใดๆ ก็ตามที่เกิดขึ้นภายในนั้นไม่ใช่คำถามเกี่ยวกับประสาทวิทยาศาสตร์ทั่วไป ใช่ไหม? เป็นคำถามที่ลึกลับมาก…มีงานหลายทศวรรษในการพยายามทำแผนผังการเดินสายที่ซับซ้อนของสมอง และเราคิดว่ากิจกรรมทั้งหมดที่ออกมาจากสมองขับเคลื่อนโดยการเดินสายที่ซับซ้อนนี้” กล่าว เจมส์ ปังนักวิจัยจาก Monash University's สถาบันเทิร์นเนอร์เพื่อสมองและสุขภาพจิต.

ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ใน ธรรมชาติปังและเพื่อนร่วมงานของเขาได้ท้าทายความเข้าใจที่แพร่หลายนี้ด้วยการระบุความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างรูปร่างของสมองกับการทำงานของเอ็มอาร์ไอ (fMRI)

นักวิจัยกำลังศึกษาเสียงสะท้อนตามธรรมชาติที่เรียกว่า eigenmodes ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อส่วนต่าง ๆ ของระบบสั่นด้วยความถี่เดียวกัน เช่น การกระตุ้นที่เกิดขึ้นในสมองระหว่างการสแกน fMRI ที่เกิดจากงาน เมื่อพวกเขาใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์จากทฤษฎีสนามประสาทกับแผนที่กิจกรรมกว่า 10,000 รายการและข้อมูล fMRI จาก โครงการ Human Connectomeนักวิจัยพบว่ากิจกรรมของเยื่อหุ้มสมองและส่วนย่อยเป็นผลมาจากการกระตุ้นของโหมดไอเกนทั่วสมองที่มีความยาวคลื่นเชิงพื้นที่ยาวถึง 6 ซม. ผลลัพธ์นี้ขัดแย้งกับความเชื่อชั้นนำที่ว่าการทำงานของสมองเป็นภาษาท้องถิ่น

“เราคิดกันมานานแล้วว่าความคิดหรือความรู้สึกบางอย่างกระตุ้นให้เกิดกิจกรรมในสมองส่วนใดส่วนหนึ่ง แต่การศึกษานี้เผยให้เห็นว่ารูปแบบโครงสร้างของกิจกรรมนั้นตื่นเต้นไปทั่วทั้งสมอง เหมือนกับที่โน้ตดนตรีเกิดจากการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นพร้อมๆ ความยาวทั้งหมดของสายไวโอลิน ไม่ใช่แค่ส่วนที่แยกออกมา” Pang กล่าวในแถลงการณ์

Pang และเพื่อนร่วมงานของเขายังได้เปรียบเทียบว่าค่า eigenmodes ทางเรขาคณิตที่ได้จากแบบจำลองรูปร่างของสมองนั้นทำงานอย่างไรเมื่อเทียบกับค่า eigenmodes ของ connectome ซึ่งได้มาจากแบบจำลองของการเชื่อมต่อของสมอง พวกเขาพบว่าโหมด eigenmodes ทางเรขาคณิตกำหนดข้อจำกัดในการทำงานของสมองมากกว่าโหมด eigen ของ connectome ซึ่งบ่งชี้ว่ารูปทรงและความโค้งของสมองมีอิทธิพลอย่างมากต่อการทำงานของสมอง - บางทีอาจถึงระดับที่มากกว่าการเชื่อมต่อระหว่างกันที่ซับซ้อนระหว่างประชากรของเซลล์ประสาทด้วยกันเอง

ผลลัพธ์ของนักวิทยาศาสตร์ท้าทายความรู้ของเราเกี่ยวกับวิธีการทำงานของสมองมนุษย์

“เราไม่ได้บอกว่าการเชื่อมต่อในสมองของคุณไม่สำคัญ” ปังกล่าว “สิ่งที่เรากำลังพูดก็คือ รูปร่างของสมองของคุณก็มีส่วนสำคัญเช่นกัน มีความเป็นไปได้สูงที่ทั้งสองโลกจะทำงานร่วมกัน...มีงานหลายทศวรรษและหลายทศวรรษจากการวิจัยทั้งสองด้านในโลกของทฤษฎีสนามประสาทและโลกแห่งการเชื่อมต่อ และทั้งสองอย่างมีความสำคัญในความคิดของฉัน การศึกษานี้เปิดโอกาสมากมาย - เราสามารถศึกษาว่าค่า eigenmode ทางเรขาคณิตแตกต่างกันอย่างไรผ่านการพัฒนาทางระบบประสาทหรือถูกรบกวนจากความผิดปกติทางคลินิก เป็นต้น มันค่อนข้างน่าตื่นเต้น”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์