Столетнюю парадигму перевернули с ног на голову: форма мозга имеет большее значение, чем нейронная связь

Исследователи обнаружили, что форма мозга человека сильно влияет на мышление, чувства и поведение, переворачивая с ног на голову преобладающее внимание к сложным нейронным коммуникациям. Используя МРТ-сканирование и принцип автокодирования, они обнаружили, что функции мозга тесно связаны с его геометрическими свойствами, подобно тому, как форма музыкального инструмента определяет его звук, открывая новые возможности для исследования функций мозга и болезней.

Форма нашего мозга, а не взаимодействие между различными областями, играет ключевую роль во влиянии на наши мысли, эмоции и действия.

Более ста лет ученые считали, что наши мысли, чувства и сны формируются благодаря тому, как различные области мозга взаимодействуют через обширную сеть триллионов клеточных соединений.

Тем не менее, недавнее исследование, проведенное группой из Института мозга и психического здоровья Тернера Университета Монаша, изучило более 10 000 различных карт активности человеческого мозга и обнаружило, что общая форма мозга человека оказывает большее влияние на когнитивные процессы, эмоции и поведение, чем сложная нейронная связь.

Исследование, которое недавно было опубликовано в престижном журнале, природа Он объединяет подходы физики, нейронауки и психологии, чтобы ниспровергнуть вековую парадигму, которая подчеркивает важность сложной связи мозга, и вместо этого идентифицирует ранее недооцененную взаимосвязь между формой мозга и активностью.

Ведущий автор и научный сотрудник доктор Джеймс Банг из Института Тернера и Школы психологических наук Университета Монаша сказал, что результаты важны, потому что они значительно упрощают то, как мы можем изучать, как мозг работает, развивается и стареет.

Алекс Форнетто (слева) и Джеймс Панг изучили более 10 000 изображений МРТ, чтобы определить важную форму мозга. Предоставлено: Университет Монаша.

«Работа открывает возможности для понимания последствий таких заболеваний, как деменция и инсульт, путем изучения моделей формы мозга, с которыми гораздо проще работать, чем с моделями всего набора связей в мозге», — сказал доктор Панг.

«Мы долго думали, что определенные мысли или ощущения вызывают активность в определенных частях мозга, но это исследование показывает, что организованные паттерны активности стимулируются почти во всем мозге, подобно тому, как музыкальная нота возникает из-за вибраций, которые происходят по всей длине струны скрипки, а не только по ее изолированной части», — сказал он.

Исследовательская группа использовала магнитно-резонансную томографию (МРТ) для изучения собственных мод, которые представляют собой естественные закономерности вибрации или возбуждения в системе, в которых разные части системы возбуждаются на одной частоте. Автомодули обычно используются для изучения физических систем в таких областях, как физика и инженерия, и только недавно они были адаптированы для изучения мозга.

Эта работа была сосредоточена на разработке наилучшего способа эффективного построения собственных мод для мозга.

Соавтор доктор Кевин Акино из BrainKey и Сиднейского университета сказал: «Точно так же, как резонансные частоты скрипичных струн определяются их длиной, плотностью и натяжением, собственные моды мозга определяются их структурными свойствами — физическими, геометрическими и анатомическими — но наиболее важные специфические свойства остаются загадкой».

Команда, возглавляемая Институтом Тернера и научным сотрудником Школы психологических наук ARC, профессором Алексом Форнетто, сравнила, как субъективные профили, полученные из моделей формы мозга, могут объяснить различные модели активности по сравнению с субъективными профилями, полученными из моделей мозговой связи.

«Мы обнаружили, что собственные моды, определяемые геометрией мозга — их контурами и кривизной — представляют собой самые сильные анатомические ограничения на функции мозга, точно так же, как форма цилиндра влияет на звуки, которые он может издавать», — сказал профессор Форнетто.

«Используя математические модели, мы подтвердили теоретические предсказания о том, что тесная связь между геометрией и функцией обусловлена ​​волнообразной активностью, распространяющейся по всему мозгу, точно так же, как форма пруда влияет на рябь волн, образованных падающим камешком», — сказал он.

«Эти результаты повышают возможность прогнозирования функции мозга непосредственно по его форме, открывая новые возможности для изучения того, как мозг способствует индивидуальным различиям в поведении и риску психических и неврологических заболеваний».

Исследовательская группа обнаружила, что на более чем 10 000 карт активности МРТ, которые были получены, когда испытуемые выполняли различные задачи, разработанные нейробиологами для исследования человеческого мозга, в активности преобладали субъективные паттерны с пространственными паттернами, которые имели очень длинные волны, простирающиеся на расстояния более 40 миллиметров.

«Это открытие противоречит общепринятому мнению, согласно которому активность при выполнении различных задач часто происходит в очаговых и изолированных областях повышенной активности, и говорит нам о том, что традиционные методы картирования мозга могут показать только верхушку айсберга, когда дело доходит до понимания того, как работает мозг», — сказал доктор Панг.

Ссылка: «Инженерные ограничения функций человеческого мозга», Джеймс С. Панг, Кевин М. Акино, Мариан Олденкель, Питер А. Робинсон, Бен де Фулчер, Майкл Брейкспир, Алекс Форнетто, 31 мая 2023 г., доступно здесь. природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-06098-1