Дослідження МРТ ставить під сумнів наші знання про те, як працює людський мозок – Physics World

Дослідження МРТ ставить під сумнів наші знання про те, як працює людський мозок – Physics World

Мітка часу: 6 липня 2023 р., 5:00

Джеймс Пенг і Алекс Форніто
Форма головного мозку Дослідники Університету Монаша Джеймс Панг (ліворуч) і Алекс Форніто вивчили понад 10,000 XNUMX МРТ, щоб визначити, що геометрія мозку впливає на його діяльність. (З дозволу: Університет Монаша)

Як працює мозок людини? Це залежить від того, кого ви запитуєте.

У школі вас, ймовірно, вчили, що наш мозок містить мільярди нейронів, які обробляють вхідні дані та допомагають нам формувати думки, емоції та рухи. Запитайте спеціалістів із візуалізації, і ви дізнаєтесь про те, як ми можемо бачити мозок різними способами, використовуючи різноманітні методи візуалізації, і про те, що ми можемо дізнатися з кожного зображення. Нейробіологи також розкажуть вам про взаємодію між нейронами та спорідненими хімічними речовинами, такими як дофамін і серотонін.

Якщо ви запитаєте підгрупу нейробіологів, які зосереджуються на математичних структурах, про те, як форма мозку впливає на його діяльність – область математичної нейронауки, яка називається теорією нейронного поля – ви почнете розуміти зв’язок між формою, структурою та функціями мозку ще по-іншому. .

Теорія нейронного поля спирається на наше традиційне розуміння того, як працює мозок. Він використовує фізичну форму мозку – розмір, довжину та кривизну кори, а також тривимірну форму підкірки – як каркас, на якому мозкова діяльність відбувається в часі та просторі. Потім вчені моделюють макроскопічну електричну активність мозку, використовуючи геометрію мозку, щоб накласти обмеження. Наприклад, електричну активність вздовж кори головного мозку можна змоделювати як суперпозицію біжучих хвиль, що поширюються через шар нервової тканини.

«Ідея про те, що геометрія мозку може впливати або обмежувати будь-яку активність, що відбувається всередині, не є звичайним питанням нейронауки, чи не так? Це дуже езотеричне запитання… Були десятиліття роботи, щоб скласти карту складної проводки мозку, і ми думали, що вся діяльність, яка виходить із мозку, керується цією складною проводкою», – говорить Джеймс Панг, науковий співробітник Університету Монаша Інститут мозку та психічного здоров'я Тернера.

У дослідженні, опублікованому в природаПанг і його колеги поставили під сумнів це поширене розуміння, виявивши тісний зв’язок між формою мозку та функціональною МРТ (фМРТ).

Дослідники вивчали природні резонанси, які називаються власними модами, які виникають, коли різні частини системи вібрують з однаковою частотою, наприклад, збудження, які виникають у мозку під час фМРТ-сканування, викликаного завданням. Коли вони застосували математичні моделі з теорії нейронного поля до понад 10,000 XNUMX карт активності та даних фМРТ із Проект Human Connectome, дослідники виявили, що кортикальна та підкіркова активність є результатом збудження власних мод у всьому мозку з великими просторовими довжинами хвиль до 6 см і більше. Цей результат суперечить поширеній думці про локалізацію активності мозку.

«Ми довго думали, що певні думки чи відчуття викликають активність у певних частинах мозку, але це дослідження показує, що структуровані моделі активності збуджуються майже в усьому мозку, так само, як музична нота виникає внаслідок вібрацій, що відбуваються вздовж по всій довжині скрипкової струни, а не лише ізольованим сегментом», — говорить Панг у заяві для преси.

Пан і його колеги також порівняли, як геометричні власні моди, отримані з моделей форми мозку, працюють відносно власних мод коннектомів, які отримані з моделей зв’язності мозку. Вони виявили, що геометричні власні моди накладають більші обмеження на мозкову активність, ніж власні коннектомні моди, припускаючи, що контури та кривизна мозку сильно впливають на активність мозку – можливо, навіть більшою мірою, ніж складний взаємозв’язок між популяціями самих нейронів.

Простіше кажучи, результати вчених ставлять під сумнів наші знання про те, як працює людський мозок.

«Ми не кажемо, що зв’язок у вашому мозку не важливий», — каже Панг. «Ми говоримо про те, що форма вашого мозку також має значний внесок. Цілком ймовірно, що обидва світи мають певний взаємозв’язок… обидві сторони досліджували теорію нейронних полів і світ зв’язків протягом десятиліть і десятиліть, і, на мій погляд, обидва важливі. Це дослідження відкриває так багато можливостей – ми могли б вивчити, як геометричні власні моди змінюються внаслідок розвитку нервової системи або порушуються, наприклад, клінічними розладами. Це дуже захоплююче».

Часова мітка:

Більше від Світ фізики