Naukowcy odkryli, że kształt ludzkiego mózgu ma ogromny wpływ na myślenie, odczuwanie i zachowanie, zmieniając dominujący nacisk na złożoną komunikację neuronową. Korzystając ze skanów MRI i zasady autokodowania, odkryli, że funkcja mózgu jest ściśle powiązana z jego właściwościami geometrycznymi, podobnie jak kształt instrumentu muzycznego określa jego dźwięk, zapewniając nowe możliwości badania funkcji mózgu i chorób.
Kształt naszego mózgu, a nie interakcje między różnymi regionami, odgrywa kluczową rolę we wpływaniu na nasze myśli, emocje i działania.
Przez ponad sto lat naukowcy wierzyli, że nasze myśli, uczucia i sny są kształtowane przez sposób, w jaki różne obszary mózgu oddziałują na siebie w rozległej sieci bilionów połączeń komórkowych.
Jednak ostatnie badanie przeprowadzone przez zespół z Turner Institute of Brain and Mental Health na Uniwersytecie Monash przeanalizowało ponad 10 000 odrębnych map aktywności ludzkiego mózgu i odkryło, że ogólny kształt mózgu danej osoby ma większy wpływ na procesy poznawcze, emocje i zachowanie niż złożona łączność neuronowa.
Badanie, które zostało niedawno opublikowane w prestiżowym czasopiśmie, Natura Łączy podejścia z fizyki, neuronauki i psychologii, aby obalić stuletni paradygmat, który podkreśla znaczenie złożonej łączności mózgowej, i zamiast tego identyfikuje wcześniej niedoceniany związek między kształtem mózgu a aktywnością.
Główny autor i współpracownik naukowy, dr James Bang, z Instytutu Turnera i Szkoły Nauk Psychologicznych Uniwersytetu Monash, powiedział, że odkrycia były ważne, ponieważ znacznie uprościły sposób, w jaki możemy badać, jak mózg działa, rozwija się i starzeje.
Alex Fornetto (po lewej) i James Pang przebadali ponad 10 000 obrazów MRI, aby określić ważny kształt mózgu. Źródło: Uniwersytet Monash
„Praca otwiera możliwości zrozumienia skutków chorób, takich jak demencja i udar, poprzez spojrzenie na modele kształtu mózgu, z którymi znacznie łatwiej jest pracować niż z modelami całego zestawu połączeń w mózgu” – powiedział dr Pang.
„Od dawna myśleliśmy, że pewne myśli lub odczucia wyzwalają aktywność w określonych częściach mózgu, ale to badanie ujawnia, że zorganizowane wzorce aktywności są stymulowane w prawie całym mózgu, podobnie jak nuta muzyczna powstaje z wibracji, które występują na całej długości struny skrzypiec, a nie tylko w jej izolowanej części” – powiedział.
Zespół badawczy wykorzystał obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) do zbadania trybów własnych, które są naturalnymi wzorcami drgań lub wzbudzenia w systemie, w którym różne części systemu są wzbudzane z tą samą częstotliwością. Automoduły są zwykle używane do badania systemów fizycznych w dziedzinach takich jak fizyka i inżynieria, a dopiero niedawno zostały przystosowane do badania mózgu.
Prace te koncentrowały się na opracowaniu najlepszego sposobu efektywnego konstruowania trybów własnych dla mózgu.
Współautor, dr Kevin Aquino, z BrainKey i University of Sydney, powiedział: „Tak jak częstotliwości rezonansowe strun skrzypiec są określane przez ich długość, gęstość i napięcie, tryby własne mózgu są określane przez ich właściwości strukturalne – fizyczne, geometryczne i anatomiczne – ale najważniejsze specyficzne właściwości pozostały tajemnicą”.
Zespół kierowany przez Turner Institute i ARC School of Psychological Science Fellow, profesor Alex Fornetto, porównał, w jaki sposób subiektywne profile uzyskane z modeli kształtu mózgu mogą wyjaśniać różne wzorce aktywności w porównaniu z subiektywnymi profilami uzyskanymi z modeli połączeń mózgowych.
„Odkryliśmy, że tryby własne zdefiniowane przez geometrię mózgu – ich kontury i krzywiznę – stanowią najsilniejsze anatomiczne ograniczenie funkcji mózgu, podobnie jak kształt cylindra wpływa na dźwięki, które może wydawać” – powiedział profesor Fornetto.
„Korzystając z modeli matematycznych, potwierdziliśmy teoretyczne przewidywania, że ścisły związek między geometrią a funkcją jest napędzany przez falową aktywność rozprzestrzeniającą się w mózgu, podobnie jak kształt stawu wpływa na falowanie fal tworzonych przez spadający kamyk” – powiedział.
„Odkrycia te dają możliwość przewidywania funkcji mózgu bezpośrednio na podstawie jego kształtu, otwierając nowe możliwości badania, w jaki sposób mózg przyczynia się do indywidualnych różnic w zachowaniu i ryzyka chorób psychicznych i neurologicznych”.
Zespół badawczy odkrył, że na ponad 10 000 mapach aktywności MRI uzyskanych, gdy badani wykonywali różne zadania opracowane przez neuronaukowców w celu zbadania ludzkiego mózgu, aktywność była zdominowana przez subiektywne wzorce z wzorami przestrzennymi, które miały bardzo długie fale, rozciągające się na odległościach większych niż 40 milimetrów.
„To odkrycie jest sprzeczne z konwencjonalną wiedzą, zgodnie z którą często zakłada się, że aktywność podczas różnych zadań występuje w ogniskowych i izolowanych obszarach podwyższonej aktywności, i mówi nam, że tradycyjne metody mapowania mózgu mogą pokazać tylko wierzchołek góry lodowej, jeśli chodzi o zrozumienie, jak działa mózg” – powiedział dr Pang.
Odniesienie: „Engineering Limitations on Human Brain Functions” James C. Pang, Kevin M. Aquino, Marian Oldenkel, Peter A. Robinson, Ben de Fulcher, Michael Breakspeare, Alex Fornetto, 31 maja 2023 r., dostępne tutaj. Natura.
DOI: 10.1038/s41586-023-06098-1