دانشمندان علوم اعصاب “رویدادهای” مغز را برای درک جدیدی از آسیب ها و اختلالات مغزی بررسی می کنند

ماریا پوپ، ریچارد بتزل و اولاف اسپورنز، دانشمندان علوم اعصاب محاسباتی دانشگاه ایندیانا، با استفاده از مدل جدیدی از فعالیت مغز، در حال بررسی انفجارهای خیره کننده ای از فعالیت در مغز انسان هستند که قبلا مورد بررسی قرار نگرفته بود. این انفجارها ممکن است به عنوان نشانگرهای زیستی برای بیماری های مغزی و شرایطی مانند افسردگی، اسکیزوفرنی، زوال عقل و ADHD عمل کنند.

تیم تحقیقاتی IU در حین تجزیه و تحلیل داده‌های تصویربرداری عصبی انسان، فوران‌های کوتاهی از فعالیت‌ها را کشف کردند که “رویدادهای” مداومی را در مغز تشکیل می‌دهند و همیشه بدون توجه به فعالیت یا وضعیت مغز در حال وقوع هستند. محققان دریافتند در طول یک اسکن مغزی 10 دقیقه ای، این رویدادها تقریباً 10 تا 20 بار رخ می دهند که هر کدام فقط چند ثانیه طول می کشد.

اولاف اسپورنز، پروفسور برجسته و رئیس رابرت اچ شفر، گفت: «آنچه مردم ندیده بودند این است که نحوه صحبت مناطق مغز با یکدیگر با این لحظات کوتاه که فقط چند ثانیه طول می‌کشد مشخص می‌شود. در دانشکده هنر و علوم گروه علوم روانشناسی و مغز در IU Bloomington.

اکنون که آن‌ها را می‌بینیم، بر آن لحظات تمرکز کرده‌ایم تا تصویری از نحوه پیوند و صحبت مناطق خاص مغز در طول این رویدادها با یکدیگر داشته باشیم.»

برای شروع بررسی عملکرد این رویدادهای مرموز، تیم یک مدل محاسباتی ساخت. به رهبری ماریا پوپ، دانشجوی کارشناسی ارشد در آزمایشگاه اسپورنز و دکترای دوگانه. این گروه که نامزد علوم اعصاب و انفورماتیک بود، از داده های تصویربرداری عصبی مغز انسان برای ساخت مدلی استفاده کردند که ارتباطات آن را تکرار می کرد. سپس این مدل در حالتی شبیه به مغز در حال استراحت برای ایجاد سیگنال‌های مصنوعی MRI، با استفاده از معادلات ریاضی که فعالیت عصبی را بازسازی می‌کند، شبیه‌سازی شد.

این مدل رویدادهای انفجار مانندی را نشان داد که دقیقاً مشابه آنچه در ضبط‌های مغز انسان دیده می‌شود.

مقاله ای که این مدل را تشریح می کند و چگونگی مقایسه آن با مغز واقعی را در شماره 16 نوامبر منتشر شده است. مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم.

پوپ گفت: این مدل به ما نشان می دهد که این رویدادها توسط شبکه ساختاری مغز هدایت می شوند. “آنها به ساختار فیزیکی مغز گره خورده اند.”

به طور خاص، وقایع در خوشه‌هایی از نورون‌ها و نواحی مغزی منشا می‌گیرند که به‌طور متراکم به هم متصل هستند و به‌طور لحظه‌ای با هم روشن می‌شوند. اسپورنز این الگو را با ارکستری در حال نواختن یک قطعه موسیقی مقایسه کرد.

اسپورنز گفت: “لحظاتی وجود دارد که ارکستر دور هم جمع می شود و یک تم وجود دارد. آنها فقط یک نت را برای 10 دقیقه نمی نوازند. لحظات کوتاهی وجود دارد که در آن فعالیت هماهنگ غالب است و در زمان های دیگر ممکن است بسیار کمتر باشد.” این جزر و مد هماهنگی چیزی است که ما در مغز نیز می بینیم، و مدل ما می تواند آن را بازتولید کند. خوشه های مناطق مغز به روش های مختلف ترکیب می شوند. این فقط یک الگو نیست، بلکه تغییرات متعدد در یک موضوع است.

اسپورنز پیشنهاد کرد که نتیجه مدل جدید یک تغییر بالقوه بازی است.

“اتصال عملکردی به عنوان یک نشانگر زیستی بالقوه برای اختلالات مغزی تمرکز قوی در تحقیقات بوده است و با شرایطی مانند افسردگی، اسکیزوفرنی، زوال عقل و ADHD مرتبط بوده است. و محققان سال ها سعی کرده اند از شبیه سازی مغز در کاربردهای بالینی برای مدل سازی ضایعات استفاده کنند. اسپورنز گفت. این مدل جدید لنز بهتری به ما می‌دهد تا از طریق آن به مغز نگاه کنیم تا آنچه را که در شرایط عادی و غیرعادی می‌گذرد، با وضوح بیشتری ببینیم.»

محققان اکنون بیشتر در حال بررسی این موضوع هستند که چرا مغز انسان از این انفجارهای کوتاه مدت استفاده می کند.

پوپ گفت: “شاید مغز این نوع فعالیت را توسعه داده است زیرا مفید است. چیزی در مورد ساختار رویدادها ممکن است برای مغز مفید باشد.” به عنوان مثال، بسیاری از انواع سیستم‌های شبکه‌ای باید به‌روزرسانی یا بازنشانی گاه به گاه سیستم را انجام دهند، نوعی اطلاعات مفید جهانی را دریافت کرده و به بقیه سیستم منتقل کنند.

پاسخ به این سؤالات ممکن است نه تنها برای درک مغز، بلکه برای مطالعه شبکه های عصبی و هوش مصنوعی نیز مفید باشد.

بتزل، استاد دانشکده هنر و علوم گروه علوم روانشناسی و مغز گفت: «نقشه‌برداری واضح‌تر از ساختار و عملکرد در سطح فردی می‌تواند پیامدهایی برای نحوه تشخیص بیماری‌های عصبی و درمان و مداخله شخصی داشته باشد.»