Az emberi agy egyedülálló párhuzamos pályái

összefoglaló: A kutatók felfedezték az emberi agy kommunikációs hálózatainak egyedülálló jellemzőjét: az információ továbbítását több párhuzamos útvonalon, ezt a tulajdonságot makákóknál vagy egereknél nem figyelték meg.

Ez a megállapítás egy diffúziós és fMRI-adatokat, valamint információ- és gráfelméletet használó tanulmányból derült ki. A csapat feltérképezte az „agymozgást”, hogy összehasonlítsa a jelátvitelt a különböző emlősök agyában.

Kutatásaik azt sugallják, hogy ezek a párhuzamos utak az emberekben hozzájárulhatnak fejlett kognitív képességeinkhez, és hatással lehetnek az agy evolúciójának megértésére és a lehetséges orvosi alkalmazásokra.

Legfontosabb tényeket:

1. Az EPFL tanulmány kimutatta, hogy az emberi agy egyedi módon továbbítja az információt több párhuzamos útvonalon, ellentétben a makákókkal és az egerekkel.
2. Ezt a felfedezést a diffúziós MRI, a funkcionális MRI, az információelmélet és a gráfelmélet új kombinációjával tették.
3. A kutatás azt sugallja, hogy ezek a párhuzamos utak hozzájárulhatnak a magasabb kognitív funkciókhoz, és új betekintést nyújthatnak az agy plaszticitásába és a neurorehabilitációba.

forrás: EPFL

Egy tanulmányban, amely az emberi agy kommunikációs hálózatait hasonlította össze a makákók és egerek kommunikációs hálózataival, az EPFL kutatói azt találták, hogy csak az emberi agy több párhuzamos útvonalon továbbít információt, ami új betekintést enged az emlősök evolúciójába.

Az agyi kommunikációs hálózatok leírásakor Alessandra Griffa, az EPFL posztdoktori kutatója előszeretettel használ utazási metaforákat. Az agyi jeleket a forrástól a célpontig küldik, és olyan multiszinaptikus útvonalat hoznak létre, amely több agyi régiót keresztez, „mint egy út sok megállóval az út mentén”.

Elmagyarázza, hogy az agy strukturális kommunikációs útvonalait már megfigyelték az idegrostok hálózatai („útvonalai”) alapján. De mint az EPFL Műszaki Karán működő Orvosi Képfeldolgozó Laboratórium (MIP:Lab) tudósa és a CHUV Leenaards Memóriaközpontjának kutatási koordinátora, Griffa az információátviteli mintákat követte, hogy megtanulja, hogyan történik az üzenetek küldése és fogadása. Egy nemrégiben megjelent tanulmányban természeti kommunikáció, A MIP:Lab vezetőjével, Dimitri van de Wiellel és az SNSF Ambizione munkatársával, Enrico Amicóval együttműködve olyan „agymozgási térképeket” készített, amelyek összehasonlíthatók az emberek és más emlősök között.

Ennek elérése érdekében a kutatók nyílt forráskódú diffúziós (DWI) és funkcionális mágneses rezonancia képalkotási (fMRI) adatokat használtak emberekről, makákókról és egerekről, amelyeket az alanyok ébrenléte és nyugalmi állapotában gyűjtöttek.

A DWI-vizsgálatok lehetővé tették a tudósok számára, hogy rekonstruálják az agyi „útitérképeket”, az fMRI-vizsgálatok pedig lehetővé tették számukra, hogy az agy különböző területeit lássák, ahogy az egyes „útvonalak” mentén megvilágosodnak, ami arra utal, hogy ezek az utak idegi információkat továbbítanak.

Információelmélet és gráfelmélet segítségével elemezték a multimodális MRI-adatokat, és Greva szerint a módszereknek ez az új kombinációja vezetett új meglátásokhoz.

„Tanulmányunk újdonsága a multimodális adatok egyetlen modellben való felhasználása, amely a matematika két ágát ötvözi: a gráfelméletet, amely több szinaptikus „útvonalterveket” ír le; és az információelméletet, amely az információ (vagy „forgalom”) átvitelét határozza meg. ) az utakon keresztül.”

„Az alapelv az, hogy a forrástól a célpontig továbbított üzenetek változatlanok maradnak, vagy tovább romlanak az út minden egyes megállóhelyén, mint a telefonjáték, amelyet gyerekként játszottunk.”

A kutatók megközelítése feltárta, hogy a nem emberi agyban az információ egyetlen „útvonalon” kerül továbbításra, míg az embereknél több párhuzamos út is volt ugyanazon forrás és célpont között. Ezen túlmenően ezek a párhuzamos nyomok olyan egyediek voltak, mint az ujjlenyomatok, és egyének azonosítására használhatók.

„Emberi agyban feltételeztek ilyen párhuzamos feldolgozást, de a teljes agy szintjén még soha nem figyelték meg” – összegzi Greva.

Lehetséges betekintés az evolúcióba és az orvostudományba

A kutatók modelljének szépsége Griffa szerint az egyszerűségében rejlik, és abban, hogy új perspektívákat és kutatási utakat inspirál az evolúció és a számítógépes idegtudomány területén. Például az eredmények összefüggésbe hozhatók az emberi agy méretének időveli bővülésével, ami összetettebb kapcsolódási mintákat eredményez.

„Feltételezhetjük, hogy ezek a párhuzamos információáramlások lehetővé teszik a valóság többszörös megjelenítését, és az emberekre jellemző elvont funkciók végrehajtásának képességét.”

Hozzáteszi, hogy bár ez a hipotézis csak spekuláció, mint pl. Nature Communications A tanulmány nem tartalmazta az emberek aritmetikai vagy kognitív képességeinek tesztelését, és ezeket a kérdéseket szeretné megvizsgálni a jövőben.

„Megvizsgáltuk az információ továbbításának módját, így egy érdekes következő lépés az összetettebb folyamatok modellezése lesz annak tanulmányozása érdekében, hogy az agyban hogyan kombinálódnak és dolgoznak fel az információk valami új létrehozása érdekében.”

Memória- és kogníciókutatóként különösen érdekli a tanulmányban kidolgozott modell felhasználása annak megállapítására, hogy a párhuzamos információátvitel plaszticitást kölcsönöz-e az agyi hálózatoknak, esetleg szerepet játszhat-e az agysérülés utáni neurorehabilitációban, vagy a kognitív hanyatlás megelőzésében. Öregedési betegségekben.

„Vannak, akik egészségesen öregszenek, míg mások kognitív hanyatlást tapasztalnak, ezért szeretnénk megvizsgálni, hogy van-e összefüggés ez a különbség és a párhuzamos információáramlások jelenléte, illetve, hogy képesek-e őket kompenzálni a neurodegeneratív folyamatokat.”

Erről az idegtudományi kutatási hírről

szerző: Celia Lauterbacher
forrás: EPFL
kommunikáció: Celia Lauterbacher – EPFL
kép: A kép a Neuroscience News jóvoltából

Eredeti keresés: Nyílt hozzáférésű.
„Bizonyíték a megnövekedett párhuzamos információátvitelre az emberi agyi hálózatokban a hím makákókhoz és egerekhez képest„Dimitri van de Wiel et al. Nature Communications

összefoglaló

Bizonyíték a megnövekedett párhuzamos információátvitelre az emberi agyi hálózatokban a hím makákókhoz és egerekhez képest

Az agyi kommunikáció, amelyet a fehérállományi kapcsolatokon keresztüli információtovábbításként határoznak meg, az agy számítási képességeinek alapja, amely a viselkedés szinte minden aspektusát felöleli: az emlősfajokra jellemző szenzoros észleléstől az emberek összetett kognitív funkcióiig.

Hogyan alkalmazkodtak a kommunikációs stratégiák a nagy agyi hálózatokban az evolúció során, hogy egyre összetettebb funkciókat hajtsanak végre?

Grafikonos megközelítés és információelmélet alkalmazásával a hím egerek, makákók és emberek agyában az információhoz kapcsolódó útvonalak értékelésére megmutatjuk az agyi kapcsolati szakadékot a szelektív információátvitel között nem emberi emlősökben, ahol az agyrégiók megosztják egymással az információkat egyéni multikon keresztül. -szinaptikus utak. Párhuzamos információátvitel az emberekben, ahol a régiók több párhuzamos úton osztanak meg információkat. Emberben a párhuzamos szállítás fő kapcsolatként szolgál az egyoldalú és a transzmodális rendszerek között.

Az információhoz kapcsolódó útvonalak elrendezése egyedi a különböző emlősfajok egyedei számára, ami az információtovábbítási struktúra egyedi szintjére utal.

Munkánk bizonyítékot szolgáltat arra vonatkozóan, hogy a különböző kapcsolódási minták összefüggenek az emlősök agyi hálózatainak fejlődésével.