Storočia stará paradigma sa prevrátila – na veľkosti mozgu záleží viac ako na nervovej konektivite

Výskumníci zistili, že veľkosť ľudského mozgu má významný vplyv na myslenie, emócie a správanie, čím prevracia prevládajúci dôraz na komplexnú neurónovú konektivitu. Pomocou MRI skenov a teórie vlastných módov zistili, že funkcia mozgu úzko súvisí s jeho geometrickými vlastnosťami, rovnako ako tvar hudobného nástroja určuje jeho zvuk, čo ponúka nové možnosti na skúmanie mozgových funkcií a chorôb.

Veľkosť nášho mozgu, nie súhra medzi rôznymi oblasťami, hrá dôležitú úlohu pri ovplyvňovaní našich myšlienok, pocitov a činov.

Už viac ako sto rokov vedci verili, že naše myšlienky, pocity a sny sú formované spôsobom, akým rôzne oblasti mozgu interagujú prostredníctvom obrovskej siete biliónov bunkových spojení.

Nedávna štúdia vedená tímom Turnerovho inštitútu pre mozog a duševné zdravie na Monash University však skúmala viac ako 10 000 rôznych máp ľudskej mozgovej aktivity a zistila, že celková veľkosť ľudského mozgu má oveľa dôležitejší vplyv na naše kognitívne procesy, emócie a správanie, než naša komplexná neuronálna konektivita.

Štúdia, nedávno publikovaná v prestížnom časopise, Príroda Prístupy z fyziky, neurovedy a psychológie sa spojili, aby prevrátili stáročnú paradigmu, ktorá zdôrazňovala dôležitosť komplexnej mozgovej konektivity namiesto identifikácie predtým nedoceneného vzťahu medzi veľkosťou mozgu a aktivitou.

Dr James Pang, hlavný autor a vedecký pracovník Turnerovho inštitútu a Školy psychologických vied Monash University, uviedol, že zistenia sú dôležité, pretože výrazne zjednodušujú spôsob, akým študujeme, ako mozog funguje, ako sa vyvíja a starne.

Alex Fornito (vľavo) a James Pang študovali viac ako 10 000 MRI, aby zistili, či na veľkosti mozgu záleží. kredit: Monash University

„Táto práca otvára príležitosti na pochopenie účinkov chorôb, ako je demencia a mozgová príhoda, zvážením modelov veľkosti mozgu, s ktorými je oveľa jednoduchšie zaobchádzať ako s modelmi celej škály mozgových spojení,“ povedal doktor Pang.

„Dlho sme si mysleli, že špecifické myšlienky alebo vnemy vytvárajú aktivitu v špecifických častiach mozgu, ale táto štúdia ukazuje, že štruktúrované vzorce aktivity sú stimulované takmer v celom mozgu, rovnako ako vibrácie po celej dĺžke husľovej struny vytvárajú hudobný tón, nielen v izolovanej časti,“ povedal.

Výskumný tím použil zobrazovanie magnetickou rezonanciou (MRI) na štúdium vlastných módov, čo sú prirodzené vzorce vibrácií alebo excitácie v systéme, kde sú rôzne časti systému excitované na rovnakej frekvencii. Vlastné módy sa bežne používajú v oblastiach ako fyzika a inžinierstvo na štúdium fyzikálnych systémov a nedávno boli prispôsobené na štúdium mozgu.

Táto práca sa zamerala na vývoj najlepšieho spôsobu, ako efektívne vytvárať vlastné módy mozgu.

„Tak ako sú rezonančné frekvencie husľovej struny určené jej dĺžkou, hustotou a napätím, vlastné módy mozgu sú určené jej štrukturálnymi – fyzikálnymi, geometrickými a štrukturálnymi – vlastnosťami, ale ktoré konkrétne vlastnosti sú najdôležitejšie, zostalo záhadou,“ povedal doktor Kevin Aquino, spoluautor knihy Brenki a University of Sydney.

Tím vedený Turnerovým inštitútom a členom laureáta ARC School of Psychological Sciences, profesorom Alexom Fornitom, porovnal, ako dobre môžu vlastné módy odvodené z modelov veľkosti mozgu zodpovedať za rôzne vzorce aktivity v porovnaní s vlastnými módmi odvodenými z modelov mozgovej konektivity.

„Zistili sme, že vlastné módy definované geometriou mozgu – jeho tvar a zakrivenie – predstavujú najsilnejšie fyzické obmedzenie funkcie mozgu, rovnako ako tvar bubna ovplyvňuje zvuky, ktoré môže vydávať,“ povedal profesor Fornito.

„Pomocou matematických modelov sme potvrdili teoretické predpovede, že úzky vzťah medzi geometriou a funkciou je poháňaný vlnovou aktivitou šíriacou sa mozgom, rovnako ako tvar jazierka ovplyvňuje vlnky tvorené padajúcimi kamienkami,“ povedal.

„Tieto zistenia zvyšujú možnosť predpovedať funkciu mozgu priamo z veľkosti mozgu, čím sa otvárajú nové cesty na preskúmanie toho, ako mozog prispieva k individuálnym rozdielom v správaní a riziku psychiatrických a neurologických ochorení.“

Výskumný tím zistil, že vo viac ako 10 000 mapách aktivity MRI, keď ľudia vykonávali rôzne úlohy vyvinuté neurovedcami na sondovanie ľudského mozgu, aktivite dominovali priestorovo vzorované vlastné módy, ktoré majú veľmi dlhé vlnové dĺžky, siahajúce na vzdialenosti viac ako 40 mm.

„Tento výsledok je v rozpore s konvenčnou múdrosťou, podľa ktorej sa aktivita počas rôznych úloh často vyskytuje v ohniskových, izolovaných oblastiach vysokej aktivity, a hovorí nám, že tradičné prístupy k mapovaniu mozgu môžu ukázať iba špičku ľadovca, pokiaľ ide o pochopenie toho, ako mozog funguje,“ povedal doktor Pang.

Referencie: James C. Pang, Kevin M. Aquino, Marian Oldehinkel, Peter A. „Geometrické obmedzenia fungovania ľudského mozgu“ od Robinsona, Bena D. Fulchera, Michaela Breakspeara a Alexa Fornita, 31. mája 2023, Príroda,
DOI: 10.1038/s41586-023-06098-1