Нова платформа візуалізації розкриває нейронну основу дрейфуючого розуму

Коли ти останній раз мріяв? Якщо ви не звертаєте особливої ​​уваги на зовнішній світ, займаєтеся самоаналізом або пригадуванням, ваш психічний стан відчувається зміненим. Ця різниця відображена в глобальних патернах мозкової активності – мережі режиму за замовчуванням (DMN). Виявлений 20 років тому і з тих пір він є центром багатьох досліджень, DMN з’єднує кілька областей мозку за допомогою чітких низькочастотних коливань.

«Вважається, що DMN також відіграє ключову роль у різноманітних неврологічних і психіатричних розладах, включаючи хворобу Альцгеймера, шизофренію, депресію та аутизм», — каже Цзу-Хао Гаррі Чао з Університету Північної Кароліни в Чапел-Хілл. відділення неврології. «Розуміння того, як DMN функціонує у здоров’ї та хворобі, може призвести до нових методів лікування та втручання для цих станів».

Керуючись цими цілями, Чао та його колеги поєднали функціональну магнітно-резонансну томографію (фМРТ) із датчиком волоконної фотометрії, який вимірює рівень кальцію в клітинах, щоб зрозуміти, як різні ділянки мозку об’єднуються, щоб встановити та порушити DMN у мозку щурів. Вони повідомляють про свої висновки в Наука розвивається.

Вивчаючи великомасштабні зв’язки мозку, важко підключитися до окремих нейронів, особливо в глибоких областях мозку. Щоб досліджувати глобальні особливості, нейробіологи часто використовують проксі для активності нейронів.

«Наприклад, фМРТ виявляє зміни в оксигенації/потоку крові до різних ділянок мозку, які, як вважають, відображають зміни в активності нейронів», — пояснює Чао, застерігаючи, що «цей зв’язок між кровотоком і активністю нейронів не завжди є однозначним, і може бути багато джерел шуму та мінливості сигналів фМРТ». Щоб доповнити дані фМРТ прямим вимірюванням активності нейронів, дослідницька група розробила платформу оптичної візуалізації, сумісну з фМРТ, яка забезпечує зчитування нейронів у багатьох місцях із мозку щурів.

Під час передачі сигналу від одного нейрона до іншого іони кальцію входять у клітину у відповідь на потенціал дії, викликаючи викид нейромедіаторів у синапс. Для експериментів команда використовувала генно-інженерних щурів, які несуть чутливий до кальцію білок. Білок «зазнає конформаційних змін у відповідь на зв’язування кальцію, що призводить до підвищення інтенсивності флуоресценції, що може бути використано для виявлення змін у внутрішньоклітинних рівнях кальцію», — каже Чао.

Дослідники синхронізували апарат fMRI з платформою волоконної фотометрії, яка може виявляти зміни концентрації кальцію в клітинах одночасно в чотирьох областях мозку. Потім вони просканували мозок анестезованих гризунів на предмет змін активності DMN, які вони вирівняли з даними кальцію.

Три з чотирьох спостережуваних ділянок мозку продемонстрували підвищену нейронну активність безпосередньо перед встановленням DMN, тоді як у четвертому регіоні – передній острівцевій корі – активність була значно знижена. Це цікаво, оскільки передня острівна кора відіграє певну роль у мережі помітності (SN), альтернативному стані підключення мозку, пов’язаному з увагою.

Навпаки, після дезактивації DMN, активність у трьох асоційованих з DMN регіонах була пригнічена, тоді як сигнал передньої острівної кори головного мозку підвищувався приблизно за 8 с до вимкнення DMN. Після статистичного аналізу ці спостереження показують, що активність передньої інсулярної кори має негативний причинно-наслідковий вплив на інші ділянки мозку DMN.

Дослідники також вивели модель п’яти латентних станів мозку з циклом ймовірних переходів між ними. Оскільки в деяких із цих латентних станів передня острівна кора корелює з іншими регіонами, тоді як в інших станах існує антикореляція, Чао робить висновок, що «топологія великомасштабних мереж мозку може бути дуже динамічною, і ці мережі можуть дещо перекриватися. замість чітко розділених». Шлях, яким передня острівна кора індукує пригнічення DMN, вимагає подальшого вивчення, проте команда сподівається досягти цього в майбутній роботі.

Дослідники також вивчали мозок неспаних щурів за допомогою техніки вимірювання кальцію. Використовуючи дивну парадигму, коли щури слухали повторювані звуки з випадковим випадковим випадком, вони виявили причинно-наслідкову мережу між досліджуваними областями мозку, знову ж таки, коли передня острівна кора відігравала гальмівну роль в інших областях, пов’язаних з DMN.

Експерименти на неспаних щурах не проводили фМРТ, оскільки звичайні фМРТ дуже гучні, що може викликати стрес у тварини. «Для людей ми можемо використовувати беруші та навушники, щоб мінімізувати акустичний шум, який впливає на людей», — пояснює Чао. «Нам практично важче імітувати гризунів, частково тому, що їх черепи дуже тонкі, щоб акустичний шум легко проникав. Зважаючи на це, ми справді працюємо над виконанням фМРТ у неспаних мишей за новою безшумною технікою фМРТ».

Команда продовжує розвивати підхід до датчика кальцію, включаючи більше каналів для отримання даних від двох суб’єктів одночасно. «Це оновлення дозволить нам досліджувати ролі DMN і SN у соціальній взаємодії за допомогою моделей гризунів. Ми підтримуємо активну співпрацю з цієї теми з лабораторією Вінода Менона в Стенфордському університеті», — каже Чао.

Одночасна ЕЕГ і фМРТ вимірюють «інерцію» сну

Він упевнений, що їхні дослідження «відкривають шлях для майбутніх трансляційних досліджень з використанням моделей гризунів для дослідження клітинної основи великомасштабних, функціонально та поведінково значущих мозкових мереж у здоровому мозку, а також нейронних механізмів, які призводять до дисфункції мережі при розладах мозку. ”.

«[Це] має потенціал змінити ландшафт фМРТ, і отримані знання матимуть широкі наслідки для проектування, аналізу та інтерпретації даних фМРТ людського мозку», — розповідає Чао. Світ фізики.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/novel-imaging-platform-reveals-the-neuronal-basis-of-a-drifting-mind/