Stoleté paradigma bylo převráceno – tvar mozku je důležitější než neurální konektivita

Při ovlivňování našich myšlenek, emocí a činů hraje klíčovou roli spíše tvar našeho mozku než interakce mezi různými oblastmi.

Již více než sto let vědci věří, že naše myšlenky, pocity a sny jsou utvářeny způsobem, jakým různé oblasti mozku interagují v rozsáhlé síti bilionů buněčných spojení.

Nedávná studie vedená týmem Turnerova institutu mozku a duševního zdraví na Monash University však zkoumala více než 10 000 různých map lidské mozkové aktivity a zjistila, že obecný tvar mozku jednotlivce má větší vliv na kognitivní procesy, emoce a chování než komplexní nervová konektivita.

Studie, která byla nedávno publikována v prestižním časopise, Příroda Spojuje přístupy z fyziky, neurovědy a psychologie, aby převrátil století staré paradigma, které zdůrazňuje důležitost komplexní mozkové konektivity, a místo toho identifikuje dříve nedoceněný vztah mezi tvarem mozku a aktivitou.

Vedoucí autor a výzkumný pracovník Dr. James Bang z Turnerova institutu a Školy psychologických věd Monash University řekl, že zjištění byla důležitá, protože značně zjednodušila způsob, jakým můžeme studovat, jak mozek funguje, jak se vyvíjí a stárne.

Alex Fornetto (vlevo) a James Pang studovali více než 10 000 snímků MRI, aby určili důležitý tvar mozku. Kredit: Monash University

„Tato práce otevírá příležitosti k pochopení účinků nemocí, jako je demence a mozková mrtvice, pomocí modelů tvaru mozku, se kterými je mnohem snazší pracovat než s modely celé sady propojení v mozku,“ řekl Dr. Pang.

„Dlouho jsme si mysleli, že určité myšlenky nebo vjemy spouštějí aktivitu v určitých částech mozku, ale tato studie ukazuje, že organizované vzorce aktivity jsou stimulovány téměř v celém mozku, podobně jako způsob, jakým hudební tón vzniká z vibrací, které se vyskytují po celé délce houslové struny, spíše než jen v izolované části,“ řekl.

Výzkumný tým použil zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) ke studiu vlastních módů, což jsou přirozené vzorce vibrací nebo excitace v systému, ve kterém jsou různé části systému buzeny na stejné frekvenci. Automoduly se obvykle používají ke studiu fyzikálních systémů v oborech, jako je fyzika a inženýrství, a teprve nedávno byly přizpůsobeny ke studiu mozku.

Tato práce se zaměřila na vývoj nejlepšího způsobu, jak efektivně konstruovat vlastní módy pro mozek.

Kevin Aquino z BrainKey a University of Sydney řekl: „Stejně jako jsou rezonanční frekvence houslových strun určeny jejich délkou, hustotou a napětím, jsou vlastní mody mozku určeny jejich strukturálními vlastnostmi – fyzikálními, geometrickými a anatomickými -, ale nejdůležitější specifické vlastnosti zůstaly záhadou.“

Tým vedený Turner Institutem a profesorem Alexem Fornettem z ARC School of Psychological Science porovnal, jak subjektivní profily získané z modelů tvaru mozku mohou vysvětlit různé vzorce aktivity ve srovnání se subjektivními profily získanými z modelů mozkové konektivity.

„Zjistili jsme, že vlastní módy definované geometrií mozku – jejich obrysy a zakřivení – představují nejsilnější anatomické omezení funkce mozku, stejně jako tvar válce ovlivňuje zvuky, které může vydávat,“ řekl profesor Fornetto.

„Pomocí matematických modelů jsme potvrdili teoretické předpovědi, že úzké spojení mezi geometrií a funkcí je řízeno vlnovou aktivitou šířící se mozkem, stejně jako tvar rybníka ovlivňuje vlnění vln tvořených padajícím oblázkem,“ řekl.

„Tato zjištění zvyšují možnost předpovídat funkci mozku přímo z jeho tvaru a otevírají nové cesty pro zkoumání toho, jak mozek přispívá k individuálním rozdílům v chování a riziku psychiatrických a neurologických onemocnění.“

Výzkumný tým zjistil, že na více než 10 000 mapách aktivity MRI, které byly získány, když subjekty prováděly různé úkoly vyvinuté neurovědci za účelem prozkoumání lidského mozku, v aktivitě dominovaly subjektivní vzory s prostorovými vzory, které měly velmi dlouhé vlnové délky, rozprostírající se na vzdálenosti větší než 40 milimetrů.

„Toto zjištění je v rozporu s konvenční moudrostí, ve které se často předpokládá, že aktivita během různých úkolů probíhá v ohniskových a izolovaných oblastech zvýšené aktivity, a říká nám, že tradiční metody mapování mozku mohou ukázat pouze špičku ledovce, pokud jde o pochopení toho, jak mozek funguje,“ řekl Dr. Pang.

Reference: “Engineering Limitations on Human Brain Functions” od Jamese C. Panga, Kevina M. Aquina, Mariana Oldenkela, Petera A. Robinsona, Ben de Fulcher, Michaela Breakspearea, Alexe Fornetta, 31. května 2023, k dispozici zde. Příroda.
DOI: 10.1038/s41586-023-06098-1