Nghiên cứu MRI thách thức kiến ​​thức của chúng ta về cách thức hoạt động của bộ não con người – Physics World

Nghiên cứu MRI thách thức kiến ​​thức của chúng ta về cách thức hoạt động của bộ não con người – Physics World

Dấu thời gian: 6:2023 sáng ngày 5 tháng 00 năm XNUMX

James Pang và Alex Fornito
Hình dạng của bộ não Các nhà nghiên cứu James Pang (trái) và Alex Fornito của Đại học Monash đã nghiên cứu hơn 10,000 máy chụp cộng hưởng từ để xác định rằng hình dạng não bộ ảnh hưởng đến hoạt động của nó. (Được phép: Đại học Monash)

Bộ não con người hoạt động như thế nào? Nó phụ thuộc vào người bạn hỏi.

Ở trường, bạn có thể được dạy rằng bộ não của chúng ta chứa hàng tỷ tế bào thần kinh xử lý thông tin đầu vào và giúp chúng ta hình thành suy nghĩ, cảm xúc và chuyển động. Hãy hỏi các chuyên gia hình ảnh, và bạn sẽ tìm hiểu về cách chúng ta có thể nhìn thấy bộ não theo những cách khác nhau bằng cách sử dụng nhiều kỹ thuật hình ảnh khác nhau và về những gì chúng ta có thể học được từ mỗi hình ảnh. Các nhà thần kinh học cũng sẽ cho bạn biết về sự tương tác giữa các tế bào thần kinh và các hóa chất liên quan, chẳng hạn như dopamin và serotonin.

Nếu bạn hỏi một nhóm nhỏ các nhà thần kinh học tập trung vào các khuôn khổ toán học về cách hình dạng của bộ não ảnh hưởng đến hoạt động của nó – một lĩnh vực của khoa học thần kinh toán học được gọi là lý thuyết trường thần kinh – thì bạn sẽ bắt đầu hiểu mối quan hệ giữa hình dạng, cấu trúc và chức năng của não theo một cách khác. .

Lý thuyết trường thần kinh được xây dựng dựa trên sự hiểu biết thông thường của chúng ta về cách thức hoạt động của bộ não. Nó sử dụng hình dạng vật lý của não – kích thước, chiều dài và độ cong của vỏ não cũng như hình dạng ba chiều của vỏ não phụ – như một giàn giáo mà trên đó hoạt động của não diễn ra theo thời gian và không gian. Sau đó, các nhà khoa học lập mô hình hoạt động điện vĩ mô của não bằng cách sử dụng hình học của não để áp đặt các ràng buộc. Ví dụ, hoạt động điện dọc theo vỏ não có thể được mô hình hóa như một sự chồng chất của các sóng di chuyển lan truyền qua một tấm mô thần kinh.

“Ý tưởng rằng hình dạng của bộ não có thể ảnh hưởng hoặc hạn chế bất kỳ hoạt động nào xảy ra bên trong không phải là một câu hỏi khoa học thần kinh thông thường, phải không? Đó là một câu hỏi rất bí truyền… Đã có hàng thập kỷ nghiên cứu để cố gắng lập bản đồ hệ thống dây điện phức tạp của não bộ, và chúng tôi đã nghĩ rằng tất cả hoạt động phát ra từ não bộ đều được điều khiển bởi hệ thống dây điện phức tạp này,” ông nói James Pang, một nhà nghiên cứu tại Đại học Monash Viện Sức khỏe Não và Tâm thần Turner.

Trong một nghiên cứu công bố Thiên nhiên, Pang và các đồng nghiệp của ông đã thách thức sự hiểu biết phổ biến này bằng cách xác định mối quan hệ chặt chẽ giữa hình dạng não và hoạt động chụp cộng hưởng từ (fMRI) chức năng.

Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các cộng hưởng tự nhiên được gọi là mã riêng, xảy ra khi các phần khác nhau của hệ thống dao động ở cùng một tần số, chẳng hạn như các kích thích xảy ra trong não trong quá trình quét fMRI theo nhiệm vụ. Khi họ áp dụng các mô hình toán học từ lý thuyết trường thần kinh cho hơn 10,000 bản đồ hoạt động và dữ liệu fMRI từ Dự án kết nối con người, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng hoạt động của vỏ não và vỏ não dưới vỏ não là kết quả của sự kích thích các mã riêng trên toàn bộ não với bước sóng không gian dài lên đến và vượt quá 6 cm. Kết quả này trái ngược với niềm tin hàng đầu rằng hoạt động của não được bản địa hóa.

“Từ lâu chúng ta đã nghĩ rằng những suy nghĩ hoặc cảm giác cụ thể tạo ra hoạt động ở những phần cụ thể của não, nhưng nghiên cứu này cho thấy rằng các mô hình hoạt động có cấu trúc được kích thích trên gần như toàn bộ não, giống như cách một nốt nhạc phát sinh từ những rung động xảy ra dọc theo toàn bộ chiều dài của dây đàn violon chứ không chỉ một đoạn riêng lẻ,” Pang nói trong một thông cáo báo chí.

Pang và các đồng nghiệp của ông cũng so sánh các mã riêng hình học, thu được từ các mô hình hình dạng não, hoạt động như thế nào so với các mã riêng kết nối, thu được từ các mô hình kết nối não. Họ phát hiện ra rằng các mã riêng hình học áp đặt các giới hạn lớn hơn đối với hoạt động của não so với các mã riêng của hệ kết nối, cho thấy rằng các đường viền và độ cong của não ảnh hưởng mạnh mẽ đến hoạt động của não – thậm chí có thể ở mức độ lớn hơn cả sự liên kết phức tạp giữa các quần thể tế bào thần kinh.

Nói một cách đơn giản, kết quả của các nhà khoa học thách thức kiến ​​thức của chúng ta về cách thức hoạt động của bộ não con người.

Pang nói: “Chúng tôi không nói rằng khả năng kết nối trong não của bạn là không quan trọng. “Điều chúng tôi đang nói là hình dạng bộ não của bạn cũng có một đóng góp đáng kể. Rất có thể cả hai thế giới đều có một số sức mạnh tổng hợp… đã có hàng thập kỷ nghiên cứu từ cả hai phía trong thế giới lý thuyết trường thần kinh và thế giới kết nối, và theo tôi, cả hai đều quan trọng. Nghiên cứu này mở ra rất nhiều khả năng – ví dụ, chúng ta có thể nghiên cứu xem các mã riêng hình học thay đổi như thế nào thông qua quá trình phát triển thần kinh hoặc bị phá vỡ bởi các rối loạn lâm sàng. Nó khá thú vị.”

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý