Една вековна парадигма е преобърната – формата на мозъка има повече значение от невронната свързаност

Формата на мозъка ни, а не взаимодействието между различните региони, играе ключова роля при оказването на влияние върху нашите мисли, емоции и действия.

Повече от сто години учените са вярвали, че нашите мисли, чувства и мечти са оформени от начина, по който различните области на мозъка си взаимодействат в огромна мрежа от трилиони клетъчни връзки.

Въпреки това, скорошно проучване, ръководено от екипа в Института по мозъка и психичното здраве на университета Монаш, изследва повече от 10 000 различни карти на човешката мозъчна дейност и открива, че общата форма на мозъка на индивида има повече влияние върху когнитивните процеси, емоции и поведение, отколкото сложната невронна свързаност.

Проучването, което наскоро беше публикувано в престижното списание, природа Той обединява подходи от физиката, неврологията и психологията, за да преобърне вековната парадигма, която подчертава важността на сложната мозъчна свързаност, и вместо това идентифицира недооценената преди това връзка между формата на мозъка и дейността.

Водещият автор и научен сътрудник д-р Джеймс Панг от Института Търнър и Училището по психологически науки на университета Монаш каза, че констатациите са важни, защото значително опростяват начина, по който можем да изучаваме как мозъкът работи, се развива и остарява.

Алекс Форнето (вляво) и Джеймс Панг изследваха повече от 10 000 MRI изображения, за да определят важната форма на мозъка. Кредит: Университет Монаш

„Работата разкрива възможности за разбиране на ефектите от заболявания като деменция и инсулт чрез разглеждане на модели на формата на мозъка, с които е много по-лесно да се работи, отколкото с модели на целия набор от връзки в мозъка“, каза д-р Панг.

„Ние отдавна смятаме, че определени мисли или усещания предизвикват активност в определени части на мозъка, но това проучване разкрива, че организираните модели на активност се стимулират в почти целия мозък, подобно на начина, по който една музикална нота възниква от вибрации, които се появяват по цялата дължина на струна на цигулка, а не само в изолирана част“, ​​каза той.

Изследователският екип използва магнитно резонансно изображение (MRI), за да изследва собствените режими, които са естествените модели на вибрации или възбуждане в система, в която различни части на системата се възбуждат на една и съща честота. Автомодулите обикновено се използват за изследване на физически системи в области като физика и инженерство и едва наскоро бяха адаптирани за изследване на мозъка.

Тази работа се фокусира върху разработването на най-добрия начин за ефективно конструиране на собствени режими за мозъка.

Съавторът д-р Кевин Акино от BrainKey и университета в Сидни каза: „Точно както резонансните честоти на струна на цигулка се определят от нейната дължина, интензитет и напрежение, собствените режими на мозъка се определят от неговите структурни свойства – физически, геометрични и анатомични –, но най-важните специфични свойства остават загадка.“

Екипът, ръководен от сътрудника на Института Търнър и Училището по психология на ARC Алекс Форнето, сравни как субективните профили, получени от модели на мозъчна форма, могат да обяснят различни модели на активност в сравнение със субективните профили, получени от модели на мозъчна свързаност.

„Открихме, че собствените модове, определени от геометрията на мозъка – техните контури и кривина – представляват най-силното анатомично ограничение върху мозъчната функция, точно както формата на цилиндъра влияе върху звуците, които може да издава“, каза професор Форнето.

„Използвайки математически модели, ние потвърдихме теоретичните прогнози, че тясната връзка между геометрията и функцията се задвижва от вълнообразна дейност, разпространяваща се в мозъка, точно както формата на езерото влияе на вълните на вълните, образувани от падащо камъче“, каза той.

„Тези констатации повишават възможността за прогнозиране на мозъчната функция директно от неговата форма, отваряйки нови пътища за изследване на това как мозъкът допринася за индивидуалните различия в поведението и риска от психиатрични и неврологични заболявания.“

Изследователският екип установи, че в повече от 10 000 карти на активността на ЯМР, получени, докато субектите изпълняват различни задачи, разработени от невролози за изследване на човешкия мозък, активността е доминирана от субективни модели с пространствени модели, които имат много дълги дължини на вълните, простиращи се на разстояния, по-големи от 40 милиметра.

„Това откритие противоречи на конвенционалната мъдрост, според която активността по време на различни задачи често се приема, че се случва във фокусни и изолирани области на повишена активност, и ни казва, че традиционните методи за мозъчно картографиране могат да покажат само върха на айсберга, когато става въпрос за разбиране как работи мозъкът“, каза д-р Панг.

Справка: „Инженерни ограничения върху функциите на човешкия мозък“ от Джеймс С. Панг, Кевин М. Акино, Мариан Олденкел, Питър А. Робинсън, Бен де Фулчър, Майкъл Брейкспир, Алекс Форнето, 31 май 2023 г., достъпно тук. природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-06098-1