Bir sıçan beyninden fMRI ile yakalanan sinyaller, hayvanın anatomik bir görüntüsünün üzerinde görüntülenir. Kırmızı renkli kontralateral alanlar, aralarındaki uzun mesafeye rağmen aynı anda birlikte harekete geçer. Kredi: Joana Cabral
Beyin aktivitesinin canlı videolarını yakalamak için yaygın olarak kullanılan bir teknoloji olan fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) kullanan nörogörüntüleme çalışmalarının beyin çapında tespitler yapmasının üzerinden 20 yıldan fazla zaman geçti. çok çeşitli nörolojik ve psikiyatrik bozukluklarda kesintiye uğramış gibi görünen karmaşık ilişkili beyin aktivitesi kalıpları. Bu modeller, belirli bir görev yerine getirilmediğinde bile dinlenme halindeyken kendiliğinden oluşur ve yalnızca insanlarda değil, maymunlar ve kemirgenler de dahil olmak üzere memelilerde de tespit edilmiştir.
Her ne kadar bu tür uzamsal ilişkili aktivasyon modelleri tutarlı bir şekilde kanıtlanmış olsa da Dünyanın dört bir yanındaki nörogörüntüleme merkezlerinde tespit edilen bu korelasyonların doğası net değildi. “Beynin uzun mesafelerde nasıl iletişim kurduğunu henüz tam olarak anlamış değiliz. Lizbon’daki Champalimaud Vakfı’ndaki Klinik Öncesi MRI Laboratuvarı’nın baş araştırmacısı ve kıdemli yazar Noam Shemesh, uzak bölgelerin sinyal korelasyonları sergilediğini ve bunların beyin işleviyle ilişkili olduğunu biliyoruz, ancak doğalarını tam olarak anlamıyoruz” diyor. Nature Communications dergisinde 6 Şubat 2023’te yayınlanan bir çalışmanın.
“Bu çalışmada, bu korelasyonların altında yatan şeyi anlamak ve ilgili mekanizmaları araştırmak istedik” diye vurguluyor Shemesh.
Bir dizi teorik çalışma, bu modellerin şu şekilde açıklanabileceğini önermişti: beyin yapısında rezonansa giren (dorukları ve çukurları uzayda hareket etmeyen) duran dalgalar – yani, müzik enstrümanlarındaki titreşim modlarına benzer dalgalar. Ancak fMRI’nin saniyede yalnızca bir veya iki görüntüye ulaşan zayıf zamansal çözünürlüğü nedeniyle bu hipotezi destekleyecek çok az deneysel kanıt vardı. Çalışmanın ilk yazarı, Minho Üniversitesi Yaşam ve Sağlık Bilimleri Araştırma Enstitüsü’nden ve Shemesh’s’de misafir bilim insanı olan Joana Cabral, “Uzamsal modellerin salındığını bulabilirsek, bu rezonans hipotezini destekleyen kanıtlar sağlayacaktır” diyor. 2019’dan beri laboratuvar.
Video, fMRI ile yakalanan beyin aktivitesinin, zamanda salınan az sayıdaki makroskobik durağan dalgaların veya rezonans modlarının üst üste binmesi olarak yeniden oluşturulabileceğini gösteriyor. . Kredi: Joana Cabral
Ekibin yaptığı şey, görüntü alımını hızlandırmaktı ve uzaktaki beyin bölgelerindeki sinyallerin aslında zamanda birlikte salındığını keşfettiler. “Bu salınım modelleri, müzik enstrümanlarındaki rezonans modlarının daha yüksek boyutlu bir analoğu gibi görünüyor; yankılanmalara, beynin içindeki yankılara benzerler,” diyor Cabral.
“Verilerimiz, karmaşık uzamsal kalıpların, tıpkı bireysel enstrümanların bir bir orkestrada daha karmaşık bir parça,” diyor Shemesh. “Her biri farklı zaman ölçeklerinde ve farklı dalga boylarında genel resme bir şeyler katan farklı modlar, deneysel olarak gözlemlenenlere benzer karmaşık makroskobik desenler oluşturarak bir araya toplanabilir [aşağıya bakın]. Bildiğimiz kadarıyla, bu, fMRI ile yakalanan beyin etkinliğinin, duran dalgaların üst üste binmesi olarak yeniden yapılandırıldığı ilk seferdir,” diye belirtiyor.
Bu nedenle, yeni çalışma, bu rezonant dalgalar için önemli bir role güçlü bir şekilde işaret ediyor. veya modlar, beyin işlevinde. Yazarlar, bu rezonans olgularının, bir bütün olarak normal beyin işlevi için gerekli olan uyumlu, koordineli beyin aktivitesinin temelinde olduğuna inanıyor.
Ultra hızlı MRI
Araştırmacılar, rezonans modlarını saptadı dinlenme halindeki sıçanlarda, yani hayvanlar herhangi bir özel dış uyarana maruz kalmamıştır. Aslında, daha önce de belirtildiği gibi, biz (ve genel olarak memeliler) özel olarak hiçbir şey yapmadığımız zamanlarda bile, beyinlerimiz fMRI tarafından yakalanabilecek spontan aktivite kalıpları üretmeye devam ettiğinden, hiçbir göreve gerek yoktu.
Görselleştirmek için salınımlar, araştırmacılar Shemesh’in laboratuvarındaki güçlü ultra yüksek alanlı deneysel MRI tarayıcıyı kullanarak etkinlik “videoları” oluşturdular ve bir süre önce o laboratuvar tarafından başka amaçlar için geliştirilen ultra hızlı deneyler gerçekleştirdiler.
“Noam ve ben 2019’da ve laboratuvarındaki 9.4 Tesla tarayıcıda elde edebileceğimiz maksimum zamansal çözünürlükte beyin aktivitesinin kayıtlarını almaya karar verdik,” diye hatırlıyor Cabral.Noam, saniyede 26 görüntülük geçici bir çözünürlük elde etmeyi başardı ve böylece 10 dakikalık tarama başına 16.000 görüntü elde etti (saniyede bir görüntü olan tipik çözünürlükte 600 görüntü yerine). okyanus
“Kayıtlı beyin etkinliği videolarını ilk gördüğümüzde, okyanustaki dalgalar gibi, korteks ve striatum [ön beynin kortikal altı bir bölgesi] içinde karmaşık modellerle yayılan net etkinlik dalgaları gördük. ]” diyor Cabral. “Ve sinyallerin, zamanda salınan az sayıda makroskobik durağan dalganın veya rezonans modlarının üst üste binmesiyle tanımlanabileceğini bulduk. Özellikle, her duran dalganın beynin geniş alanlarını kapsadığı ve tepe noktalarının farklı kortikal ve kortikal altı yapılara dağılarak işlevsel ağlar oluşturduğu bulundu.”
Araştırmacılar, üç farklı koşulda fareler üzerinde deneyler yaptı: yatıştırılmış, hafif anestezi uygulanmış , ve derin anestezi. (Aslında, hayvanlara herhangi bir rahatsızlık vermemeleri için dinlenme halindeyken hafifçe sakinleştirildi.) “Bu durağan dalgaların uzamsal konfigürasyonu, aynı durumda taranan fareler arasında çok tutarlıydı,” diye belirtiyor Cabral.
{ 4}Shemesh ekliyor: “Beyin fonksiyonel ağlarının rezonans fenomeni tarafından yönlendirildiğini gösterdik. Bu, yavaş görüntüleme yaptığınızda gözlemlenen korelasyonları açıklar. Uzun menzilli beyin etkileşimleri, salınımlı ve tekrarlayan bir bilgi “akışı” tarafından yönetilir.”
Patolojik durumlar
Ayrıca, anestezik miktarını artırmanın sayıyı, sıklığı, ve rezonans sabit dalgaların süresi. Daha önce bahsedildiği gibi, önceki araştırmalar, belirli beyin aktivasyon modellerinin bilinç bozukluklarında tutarlı bir şekilde değiştiğini göstermiştir. Cabral, bu deneysel tasarımın aslında farklı patolojik durumları taklit etmesi gerektiğini söylüyor.
“İşlevsel ağlar, bazı nörolojik ve psikiyatrik bozukluklarda kesintiye uğramış gibi görünüyor” diye belirtiyor. İnsanlarda doğrulanırsa, sonuçlarının rezonans modlarının hastalık için biyobelirteçler olarak kullanılmasına da yol açabileceğini düşünüyor.
“Çalışmamız ayrıca hastalığa bakmada yeni bir ‘öncülük’ sağlıyor” diye doğruluyor Shemesh. “Uzun menzilli beyin aktivitesinin hastalıktan güçlü bir şekilde etkilendiğini biliyoruz, ancak neden ve nasıl olduğunu anlamıyoruz. Uzun vadeli etkileşimlerin mekanizmasını anlamak, hastalığı karakterize etmenin tamamen yeni bir yoluna ve gerekli olabilecek tedavi tipine dair ipuçlarına yol açabilir: örneğin, bir hastada belirli bir rezonans modu eksikse, bunun yollarını bulmak isteyebiliriz. söz konusu modu uyarmak için.”
Araştırmacılar, tüm bu sonuçları ve bunların insanlarda tekrarlanabilir olup olmadığını doğrulamak için daha fazla çalışmanın gerekli olacağı konusunda hemfikir. Ancak Cabral, “İşlevsel ağların doğasını daha iyi anladığımızda, bu ağ modellerini değiştirmek için bilgiye dayalı stratejiler tasarlayabiliriz” diyor.
Bu, araştırmacıların yeni projesi olan “BRAINSTIM: Predicting stimulation”ın tam olarak konusudur. beyin bölgeleri arasındaki etkileşimleri modüle etmek için stratejiler. “la Caixa” Vakfı ve Portekiz bankası BPI tarafından 300.000 avro ile finanse edilen, Minho Üniversitesi Yaşam ve Sağlık Bilimleri Enstitüsü ile Champalimaud Vakfı arasındaki bir işbirliğidir ve amacı, farklı etkileri daha iyi anlamaktır. bu makro ölçekli salınım modlarının modülasyonunda farmakolojik ve elektromanyetik beyin stimülasyonları.
Referans: “Ultra hızlı fMRI tarafından saptanan dişi sıçan beyinlerinde uzun menzilli işlevsel bağlantıyı sağlayan içsel makro ölçekli salınım modları”, yazan Joana Cabral, Francisca F. Fernandes ve Noam Shemesh, 6 Şubat 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-36025-x
.