Уникальные параллельные пути человеческого мозга

краткое содержание: Исследователи обнаружили уникальную особенность коммуникационных сетей в человеческом мозге: передачу информации по множеству параллельных путей, особенность, которая не наблюдалась у макак или мышей.

Этот вывод стал результатом исследования, в котором использовались данные диффузии и фМРТ, а также теория информации и графов. Команда нанесла на карту «движение мозга», чтобы сравнить передачу сигналов в мозгу разных млекопитающих.

Их исследования показывают, что эти параллельные пути у людей могут способствовать развитию наших когнитивных способностей и иметь значение для понимания эволюции мозга и потенциального медицинского применения.

Ключевые факты:

1. Исследование EPFL показало, что человеческий мозг уникальным образом передает информацию несколькими параллельными путями, в отличие от макак и мышей.
2. Это открытие было сделано с использованием новой комбинации диффузионной МРТ, функциональной МРТ, теории информации и теории графов.
3. Исследование предполагает, что эти параллельные пути могут способствовать повышению когнитивных функций и предложить новое понимание пластичности мозга и нейрореабилитации.

источник: ЭПФЛ

В исследовании, в котором сравнивались коммуникационные сети в человеческом мозге с таковыми у макак и мышей, исследователи EPFL обнаружили, что только человеческий мозг передает информацию по множеству параллельных путей, что приводит к новому пониманию эволюции млекопитающих.

Описывая сети мозговой коммуникации, Алессандра Гриффа, научный сотрудник EPFL, любит использовать метафоры путешествий. Сигналы мозга передаются от источника к цели, создавая мультисинаптический путь, который пересекает несколько областей мозга «как дорога со множеством остановок на этом пути».

Она объясняет, что структурные пути связи мозга уже наблюдались на основе сетей («маршрутов») нервных волокон. Но будучи ученым из Лаборатории обработки медицинских изображений (MIP:Lab) инженерного факультета EPFL и координатором исследований в Центре памяти Ленаардса CHUV, Гриффа хотел проследить закономерности передачи информации, чтобы узнать, как сообщения отправляются и принимаются. В исследовании, недавно опубликованном в природные коммуникации, Она работала с руководителем лаборатории MIP:Димитри ван де Вилем и научным сотрудником SNSF Ambizione Энрико Амико над созданием «карт движения мозга», которые можно было бы сравнить между людьми и другими млекопитающими.

Для этого исследователи использовали данные диффузии из открытых источников (DWI) и функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) людей, макак и мышей, которые были собраны, когда субъекты бодрствовали и находились в состоянии покоя.

Сканирование DWI позволило ученым реконструировать «дорожные карты» мозга, а фМРТ-сканирование позволило им увидеть различные области мозга, освещающиеся вдоль каждой «дороги», предполагая, что эти пути передают нейронную информацию.

Они проанализировали данные мультимодальной МРТ, используя теорию информации и теорию графов, и Грева говорит, что именно эта новая комбинация методов привела к новым открытиям.

«Новым в нашем исследовании является использование мультимодальных данных в единой модели, которая объединяет две области математики: теорию графов, которая описывает мультисинаптические «дорожные карты»; и теорию информации, которая определяет передачу информации (или «трафик»). ) через дорогу».

«Основной принцип заключается в том, что сообщения, передаваемые от источника к цели, остаются неизменными или ухудшаются на каждой остановке по пути, как игра в телефон, в которую мы играли в детстве».

Подход исследователей показал, что в нечеловеческом мозге информация передается по одному «маршруту», тогда как у людей существует несколько параллельных путей между одним и тем же источником и целью. Более того, эти параллельные следы были столь же уникальны, как отпечатки пальцев, и могли использоваться для идентификации людей.

«Такая параллельная обработка была выдвинута в человеческом мозге, но никогда раньше не наблюдалась на уровне всего мозга», — резюмирует Грева.

Возможные идеи эволюции и медицины

Красота модели исследователей, говорит Гриффа, заключается в ее простоте и том, что она вдохновляет на новые перспективы и направления исследований в области эволюции и вычислительной нейробиологии. Например, полученные результаты могут быть связаны с увеличением размера человеческого мозга с течением времени, что приводит к возникновению более сложных моделей связей.

«Мы можем предположить, что эти параллельные потоки информации допускают множественное представление реальности и способность выполнять абстрактные функции, специфичные для людей».

Она добавляет, что хотя эта гипотеза является всего лишь предположением, как в… Природные коммуникации Исследование не включало в себя какое-либо тестирование арифметических или когнитивных способностей людей, и это вопросы, которые она хотела бы изучить в будущем.

«Мы рассмотрели, как передается информация, поэтому интересным следующим шагом будет моделирование более сложных процессов для изучения того, как информация комбинируется и обрабатывается в мозге для создания чего-то нового».

Как исследователь памяти и познания, она особенно заинтересована в использовании модели, разработанной в ходе исследования, чтобы выяснить, может ли параллельная передача информации придать пластичность сетям мозга, возможно, играя роль в нейрореабилитации после черепно-мозговой травмы или в предотвращении снижения когнитивных функций. При болезнях старения.

«Некоторые люди стареют здоровым образом, в то время как у других наблюдается снижение когнитивных функций, поэтому мы хотели бы посмотреть, существует ли связь между этой разницей и наличием параллельных информационных потоков, и можно ли их научить компенсировать нейродегенеративные процессы».

О новостях нейробиологических исследований

автор: Селия Лаутербахер
источник: ЭПФЛ
коммуникация: Селия Лаутербахер – EPFL
картина: Изображение предоставлено Neuroscience News.

Исходный поиск: Открытый доступ.
«Доказательства увеличения параллельной передачи информации в сетях человеческого мозга по сравнению с макаками и мышами-самцами«Димитри ван де Виль и др. Природные коммуникации

Резюме

Доказательства увеличения параллельной передачи информации в сетях человеческого мозга по сравнению с макаками и мышами-самцами

Мозговая коммуникация, определяемая как передача информации через соединения белого вещества, является основой вычислительных возможностей мозга, которые охватывают почти все аспекты поведения: от сенсорного восприятия, свойственного видам млекопитающих, до сложных когнитивных функций у человека.

Как коммуникативные стратегии в крупных сетях мозга адаптировались в ходе эволюции для выполнения все более сложных функций?

Применяя графовый подход и теорию информации для оценки информационных путей в мозге самцов мышей, макак и людей, мы демонстрируем разрыв в связях мозга между избирательной передачей информации у млекопитающих, не относящихся к человеку, где области мозга обмениваются информацией через отдельные мультимедиа. -синаптические пути. Параллельная передача информации у людей, когда регионы обмениваются информацией по нескольким параллельным путям. У человека параллельный транспорт служит основным связующим звеном между односторонними и трансмодальными системами.

Схема путей передачи информации уникальна для людей разных видов млекопитающих, что предполагает специфичность структуры маршрутизации информации на индивидуальном уровне.

Наша работа предоставляет доказательства того, что различные модели связей связаны с эволюцией сетей мозга у млекопитающих.