Een eeuwenoud paradigma is op zijn kop gezet: hersenvorm is belangrijker dan neurale connectiviteit

Onderzoekers hebben ontdekt dat de vorm van de hersenen van een persoon een grote invloed heeft op denken, voelen en gedrag, waardoor de heersende focus op complexe neurale communicatie op zijn kop komt te staan. Met behulp van MRI-scans en het principe van autocodering ontdekten ze dat de hersenfunctie nauw verbonden is met de geometrische eigenschappen ervan, net zoals hoe de vorm van een muziekinstrument het geluid bepaalt, waardoor nieuwe mogelijkheden worden geboden voor het onderzoeken van de hersenfunctie en ziekte.

De vorm van onze hersenen in plaats van de interacties tussen verschillende regio’s speelt een cruciale rol bij het beïnvloeden van onze gedachten, emoties en acties.

Al meer dan honderd jaar geloven wetenschappers dat onze gedachten, gevoelens en dromen worden gevormd door de manier waarop verschillende hersengebieden op elkaar inwerken via een enorm netwerk van triljoenen cellulaire verbindingen.

Een recente studie onder leiding van het team van het Turner Institute of Brain and Mental Health van Monash University onderzocht echter meer dan 10.000 verschillende kaarten van menselijke hersenactiviteit en ontdekte dat de algemene vorm van de hersenen van een individu meer invloed heeft op cognitieve processen, emoties en gedrag dan de complexe neurale connectiviteit.

De studie, die onlangs werd gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift, natuur Hij brengt benaderingen uit de natuurkunde, neurowetenschap en psychologie samen om het eeuwenoude paradigma omver te werpen dat het belang van complexe hersenconnectiviteit benadrukt, en identificeert in plaats daarvan de voorheen ondergewaardeerde relatie tussen hersenvorm en activiteit.

Hoofdauteur en onderzoeksmedewerker dr. James Pang, van het Turner Institute en de School of Psychological Sciences van Monash University, zei dat de bevindingen belangrijk waren omdat ze de manier waarop we kunnen bestuderen hoe de hersenen werken, zich ontwikkelen en verouderen aanzienlijk vereenvoudigen.

Alex Fornetto (links) en James Pang bestudeerden meer dan 10.000 MRI-beelden om de belangrijke hersenvorm te bepalen. Krediet: Universiteit van Monash

“Het werk opent mogelijkheden om de effecten van ziekten zoals dementie en beroerte te begrijpen door te kijken naar modellen van hersenvorm, die veel gemakkelijker zijn om mee te werken dan modellen van de hele reeks verbindingen in de hersenen,” zei Dr. Pang.

“We hebben lang gedacht dat bepaalde gedachten of sensaties activiteit triggeren in specifieke delen van de hersenen, maar deze studie onthult dat georganiseerde activiteitspatronen worden gestimuleerd door bijna de hele hersenen, net zoals een muzieknoot ontstaat uit trillingen die optreden over de hele lengte van een vioolsnaar, in plaats van slechts een geïsoleerd deel, “zei hij.

Het onderzoeksteam gebruikte magnetische resonantie beeldvorming (MRI) om eigenmodes te bestuderen, dit zijn de natuurlijke trillings- of excitatiepatronen in een systeem, waarin verschillende delen van het systeem met dezelfde frequentie worden geëxciteerd. Automodules worden doorgaans gebruikt om fysieke systemen te bestuderen op gebieden als natuurkunde en techniek, en zijn pas onlangs aangepast om de hersenen te bestuderen.

Dit werk was gericht op het ontwikkelen van de beste manier om eigenmodes voor de hersenen efficiënt te construeren.

Mede-hoofdauteur Dr. Kevin Aquino, van BrainKey en de Universiteit van Sydney, zei: “Net zoals de resonantiefrequenties van vioolsnaren worden bepaald door hun lengte, dichtheid en spanning, worden herseneigenmodes bepaald door hun structurele eigenschappen – fysiek, geometrisch en anatomisch -, maar de belangrijkste specifieke eigenschappen zijn een mysterie gebleven. “

Het team, geleid door Turner Institute en ARC School of Psychological Science Fellow Professor Alex Fornetto, vergeleek hoe subjectieve profielen verkregen uit hersenvormmodellen verschillende activiteitspatronen kunnen verklaren in vergelijking met subjectieve profielen verkregen uit hersenconnectiviteitsmodellen.

“We ontdekten dat eigenmodes gedefinieerd door hersengeometrie – hun contouren en kromming – de sterkste anatomische beperking vormen voor de hersenfunctie, net zoals de vorm van een cilinder de geluiden beïnvloedt die het kan maken”, zei professor Fornetto.

“Met behulp van wiskundige modellen hebben we theoretische voorspellingen bevestigd dat de nauwe band tussen geometrie en functie wordt aangedreven door golfachtige activiteit die zich door de hersenen voortplant, net zoals de vorm van een vijver de rimpelingen van golven beïnvloedt die worden gevormd door een vallende kiezelsteen,” zei hij.

“Deze bevindingen verhogen de mogelijkheid om de hersenfunctie rechtstreeks vanuit de vorm te voorspellen, waardoor nieuwe wegen worden geopend om te onderzoeken hoe de hersenen bijdragen aan individuele verschillen in gedrag en het risico op psychiatrische en neurologische ziekten.”

Het onderzoeksteam ontdekte dat op meer dan 10.000 MRI-activiteitskaarten, verkregen terwijl proefpersonen verschillende taken uitvoerden die door neurowetenschappers waren ontwikkeld om het menselijk brein te verkennen, de activiteit werd gedomineerd door subjectieve patronen met ruimtelijke patronen met zeer lange golflengten, die zich uitstrekten over afstanden van meer dan 40 millimeter.

“Deze bevinding druist in tegen de conventionele wijsheid, waarin vaak wordt aangenomen dat activiteit tijdens verschillende taken plaatsvindt in focale en geïsoleerde gebieden met verhoogde activiteit, en vertelt ons dat traditionele methoden voor het in kaart brengen van de hersenen mogelijk slechts het topje van de ijsberg laten zien als het gaat om begrijpen hoe de hersenen werken, “zei Dr. Pang.

Referentie: “Technische beperkingen op menselijke hersenfuncties” door James C. Pang, Kevin M. Aquino, Marian Oldenkel, Peter A. Robinson, Ben de Fulcher, Michael Breakspeare, Alex Fornetto, 31 mei 2023, hier beschikbaar. natuur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06098-1