O paradigmă centenară răsturnată – Forma creierului contează mai mult decât conectivitatea neuronală

Cercetătorii au descoperit că forma creierului unei persoane are un impact semnificativ asupra gândirii, sentimentelor și comportamentului, inversând accentul predominant asupra conectivității neuronale complexe. Folosind scanările RMN și principiul modurilor proprii, ei au descoperit că funcția creierului este strâns legată de proprietățile sale geometrice, la fel ca modul în care forma unui instrument muzical îi determină sunetul, oferind noi căi de explorare a funcției creierului și a bolilor.

Forma creierului nostru, mai degrabă decât interacțiunile dintre diferite regiuni, joacă un rol central în influențarea gândurilor, emoțiilor și acțiunilor noastre.

De peste o sută de ani, oamenii de știință au crezut că gândurile, sentimentele și visele noastre sunt modelate de modul în care diferitele regiuni ale creierului interacționează printr-o rețea vastă de trilioane de conexiuni celulare.

Cu toate acestea, un studiu recent al echipei de la Turner Institute for Brain and Mental Health de la Universitatea Monash a analizat peste 10.000 de hărți distincte ale activității creierului uman și a constatat că forma generală a creierului unui individ are un impact mult mai mare asupra proceselor cognitive, emoțiilor și comportamentului nostru decât complexa lor conectivitate neuronală.

Studiul, publicat recent în prestigioasa jurnală, Natură reunește abordări din fizică, neuroștiință și psihologie pentru a răsturna paradigma veche de un secol, subliniind importanța conectivității complexe a creierului, identificând în schimb o relație nerecunoscută anterior între forma creierului și activitate.

Autorul principal și cercetătorul Dr. James Pang, de la Institutul Turner și Școala de Științe Psihologice a Universității Monash, a declarat că descoperirile au fost importante deoarece au simplificat foarte mult modul în care putem studia funcția, dezvoltarea și îmbătrânirea creierului.

Alex Fornito (stânga) și James Pang au studiat peste 10.000 de scanări RMN pentru a determina dacă forma creierului contează. Credit: Universitatea Monash

„Această lucrare deschide oportunități de a înțelege efectele bolilor precum demența și accidentul vascular cerebral, luând în considerare modele de formă a creierului, care sunt mult mai ușor de procesat decât modele ale întregii game de conexiuni ale creierului”, a spus dr. Pang.

„Ne-am gândit de mult timp că anumite gânduri sau senzații provoacă activitate în anumite părți ale creierului, dar acest studiu dezvăluie că modelele structurate de activitate sunt excitate în aproape tot creierul, la fel ca cum o notă muzicală rezultă din vibrațiile care apar pe toată lungimea unei coarde de vioară, nu doar pe un segment izolat”, a spus el.

Echipa de cercetare a folosit imagistica prin rezonanță magnetică (IRM) pentru a studia modurile proprii, care sunt modelele naturale de vibrație sau excitație într-un sistem, în care diferite părți ale sistemului sunt toate excitate la aceeași frecvență. Modurile proprii sunt utilizate în mod normal pentru a studia sistemele fizice în domenii precum fizica și inginerie și au fost adaptate doar recent pentru a studia creierul.

Acest lucru s-a concentrat pe dezvoltarea celui mai bun mod de a construi în mod eficient propriile moduri ale creierului.

„Așa cum frecvențele de rezonanță ale unei coarde de vioară sunt determinate de lungimea, densitatea și tensiunea sa, propriile moduri ale creierului sunt determinate de proprietățile sale structurale – fizice, geometrice și anatomice – dar care proprietăți specifice sunt cele mai importante a rămas un mister”, a spus co-autorul principal, Dr. Kevin Aquino, de la BrainKey și de la Universitatea din Sydney.

Echipa, condusă de profesorul Alex Fornito, laureat ARC de la Institutul Turner și Școala de Științe Psihologice, a comparat măsura în care modurile proprii obținute din modele de forma creierului ar putea explica diferite modele de activitate față de modurile proprii obținute din modele de conectivitate a creierului.

„Am descoperit că modurile proprii definite de geometria creierului – contururile și curbura acestuia – au reprezentat cea mai puternică constrângere anatomică asupra funcției creierului, la fel cum forma unui tobe influențează sunetele pe care le poate produce”, a spus profesorul Fornito.

„Folosind modele matematice, am confirmat predicțiile teoretice conform cărora legătura strânsă dintre geometrie și funcție este determinată de activitatea undelor care se propagă în tot creierul, la fel cum forma unui iaz influențează ondulațiile undelor formate de o pietricică care căde”, a spus el.

„Aceste descoperiri ridică posibilitatea de a prezice funcția creierului direct din forma sa, deschizând noi căi pentru a explora modul în care creierul contribuie la diferențele individuale de comportament și riscul de boli psihiatrice și neurologice”.

Echipa de cercetare a descoperit că în peste 10.000 de hărți de activitate RMN, obținute atunci când oamenii au efectuat diferite sarcini dezvoltate de neuroștiință pentru a sonda creierul uman, activitatea a fost dominată de moduri proprii cu modele spațiale care au lungimi de undă foarte mari, care se întind pe distanțe de peste 40 mm.

„Această descoperire zboară în fața înțelepciunii convenționale, că activitatea în timpul diferitelor sarcini este adesea presupusă a avea loc în zone focale, izolate, de mare activitate și ne spune că abordările tradiționale ale cartografierii creierului pot arăta doar vârful aisbergului atunci când vine vorba de înțelegerea modului în care funcționează creierul”, a spus dr. Pang.

Referință: „Geometric Constraints on Human Brain Function” de James C. Pang, Kevin M. Aquino, Marianne Oldehinkel, Peter A. Robinson, Ben D. Fulcher, Michael Breakspear și Alex Fornito, 31 mai 2023, Natură.
DOI: 10.1038/s41586-023-06098-1