SiNAPSA, nedelja, 24. junij 2018

eSiNAPSA

Spletna revija za znanstvenike, strokovnjake
in nevroznanstvene navdušence

O dinamičnih možganih ali kako nemirni so naši možgani v mirovanju

Nina Purg

Kaj se dogaja z našimi možgani, kadar lenarimo in nič ne počnemo? Ali možgani kdaj mirujejo? Znanost ugotavlja nasprotno. Kadar budno mirujemo in se ne osredotočamo na fizične ali mentalne naloge, so možgani še kako aktivni in se v porabi energije bistveno ne razlikujejo v primerjavi z zbranostjo na različne naloge 1. Mirovanje oz. mirovno stanje, kot ga imenujejo nevroznanstveniki, je vedenjsko stanje, v katerem doživljamo budno zavedanje, zapolnjeno z mislimi, ki so neodvisne od zunanjih dražljajev in zahtev okolja 1. Vendar pa smo v nasprotju s spanjem v času mirovanja prisebni in se lahko nemudoma odzovemo na okoljske spremembe 2. Nevroznanstveniki opažajo, da kadar mirujemo in je telo negibno, so možgani aktivni in tvorijo spontana valovanja v živčni aktivnosti, ki so presenetljivo prostorsko in časovno sinhrona 1 2. Vzorci možganske aktivnosti v mirovnem stanju se pomembno razlikujejo od tistih, ki jih opažamo med osredotočenim vedênjem ali spanjem, in razkrivajo pomembne principe delovanja možganov v zdravju in bolezni 2.

V znanosti bodi še posebej pozoren na nepričakovana opažanja ali kako so odkrili pomembnost proučevanja možganov v mirovanju. Prvotno so se nevroznanstveniki ukvarjali predvsem s prepoznavanjem možganskih področij, ki so aktivna med izvajanjem različnih nalog in kadar uporabljamo določene mentalne sposobnosti. Takšno proučevanje poudarja delovanje možganov, vezano na trenutno nalogo, medtem ko zapostavlja, da je aktivnost možganov v veliki meri spontana ter poteka ves čas 1. Na podlagi elektrofizioloških raziskav že precej časa vemo, da nevroni tvorijo spontano in trajajočo električno aktivnost, vendar se je pomembnost tovrstne aktivnosti za delovanje celotnih možganov začela prepoznavati in raziskovati šele nedavno s pomočjo funkcijskega slikanja možganov v mirovanju 1. Zanimanje za proučevanje možganske aktivnosti v mirovanju je vzpodbudila študija Biswal in sodelavcev 3, kjer so želeli s pomočjo funkcijske magnetne resonance (fMR) določiti možganska področja, ki se aktivirajo, kadar premikamo prst. Povsem nepričakovano so opazili, da prepoznana senzorična in motorična področja, odgovorna za premike prsta, kažejo sinhrono aktivnost ne samo med nalogo, ampak tudi v mirovanju, kadar oseba prsta ni premikala. Na podlagi teh rezultatov so predlagali, da časovno ujemanje aktivnosti v dveh ali več možganskih področjih predstavlja mero funkcijske povezanosti med temi področji, ki se odraža tako med izvajanjem naloge kot tudi v stanju mirovanja. Dandanes se tako vse bolj poudarja, da je pri večini možganskih procesov vpletenih več različnih prostorsko razpršenih področij, ki so med seboj funkcijsko povezana in tvorijo možganska omrežja (slika 1).

Slika 1
Slika 1: Diagram možganskega omrežja. Raziskave mirovnega stanja s pomočjo funkcijskega slikanja možganov proučujejo funkcijsko povezanost več prostorsko razpršenih možganskih področij. Kot mera funkcijske povezanosti se najpogosteje uporablja stopnja korelacije med dvema časovnima potekoma aktivnosti (BOLD signal). Možganska področja, ki so funkcijsko povezana, tvorijo možganska omrežja.

Zahvala gre napredku v razvoju tehnologije ali kako dandanes raziskujemo možgansko aktivnost v mirovnem stanju. Za proučevanje možganske aktivnosti v mirovanju se uporabljajo številne metode slikanja možganov, kot so fMR, pozitronska emisijska tomografija (PET), elektroencefalografija (EEG) in magnetoencefalografija (MEG) 2. Izmed naštetih metod se tako kot v študiji Biswal in sodelavci 3 še danes največ uporablja fMR. fMR je sodobna metoda za neinvazivno opazovanje delovanja možganov, ki zaznava spremembe v pretoku krvi in porabi kisika v možganih (BOLD signal), kar posredno odraža aktivnost možganskih celic. Raziskave mirovnega stanja vključujejo nekajminutno (npr. 5–20 min) funkcijsko slikanje, med katerim je naloga preiskovanca, da miruje in se prepusti svojemu toku misli 4. Na podlagi tovrstnih raziskav lahko nato primerjamo aktivnosti v različnih predelih možganov, preverjamo funkcijsko povezanost prostorsko ločenih možganskih področij in prepoznavamo možganska omrežja. Posebna smer razvoja raziskovanja mirovnega stanja pa je dinamična funkcijska povezanost, kjer opazujemo spremembe v funkcijski povezanosti in tvorjenju možganskih omrežij v krajših časovnih sosledjih z namenom, da bi bolje razumeli časovno in prostorsko dinamiko spontane možganske aktivnosti.

Vemo, da bolj malo vemo, ali kaj smo se že naučili o delovanju možganov v mirovanju. Najizrazitejše opažanje raziskav mirovnega stanja s pomočjo metod slikanja možganov je obstoj počasnih, prostorsko in časovno organiziranih valovanj v možganski aktivnosti 2. Podrobnejše analize kažejo, da je možganska aktivnost organizirana v specifične prostorsko-časovne vzorce, ki jih imenujemo možganska omrežja 2. Možganska omrežja so pravzaprav skupek prostorsko ločenih možganskih regij, ki se spontano in sinhrono aktivirajo ali inaktivirajo v relativno počasnem ritmu (< 1 Hz), kar kaže na obstoj dinamike možganske aktivnosti 2 4. Greicius in sodelavci 5 so s pomočjo fMR in analiz funkcijske povezanosti kot prvi pokazali obstoj mirovnega omrežja (ang. default mode network), ki velja za edino aktivno možgansko omrežje izključno kadar mirujemo in nikoli med izvajanjem miselnih nalog (slika 2) 2. Nadaljnje študije so razkrile, da lahko s pomočjo proučevanja funkcijske povezanosti v mirovnem stanju prepoznamo tudi številna druga možganska omrežja, ki so običajno močneje povezana med izvajanjem nalog in osredotočenim vedênjem 2. Tovrstna omrežja vključujejo možganske sisteme, ki so pomembni za možganske procese, kot so recimo vid, jezik, gibanje, izvršilne funkcije (slika 2) 6 7 8. Omenjeni znanstveni izsledki nakazujejo kompleksno funkcijsko organiziranost in dinamično komunikacijo možganskih omrežij 2 9. Kakor koli, mehanizmi izvora tovrstne organizacije in dinamike ter njuna pomembnost za delovanje možganov ostajajo neznani 2. Različne raziskave kažejo, da je funkcijska povezanost do neke mere, vendar ne v celoti, določena s strukturnimi povezavami v možganih 7. Sicer pa se vse pogosteje ugotavlja, da so vzorci možganske aktivnosti med mirovanjem pogosto moteni pri različnih boleznih (npr. shizofrenija, depresija, Alzheimerjeva bolezen), kar kaže na pomembno vlogo mirovnih vzorcev aktivnosti za zdravo delovanje možganov 2 7.

Slika 2
Slika 2: Primeri možganskih omrežij prepoznanih s pomočjo funkcijskega slikanja možganov v mirovanju. Na podlagi analiz funkcijske povezanosti možganov v mirovanju lahko prepoznamo možganska omrežja, ki pogosto sovpadajo z možganskimi sistemi, odgovornimi za določene miselne procese, kot so recimo vid, jezik, gibanje in izvršilne funkcije. Mirovno omrežje je edino možgansko omrežje, ki je aktivno izključno, kadar mirujemo. Prilagojeno po Moussa in sodelavci. 8

Znanost pospešeno napreduje ali kakšne so napovedi in izzivi za nadaljnji razvoj področja. Proučevanje možganske aktivnosti v mirovanju privablja vse več zanimanja in število znanstvenih raziskav naglo narašča. Čeprav so napovedi za področje precej optimistične, pa ostaja še veliko teoretičnih vprašanj, metodoloških omejitev in pomanjkljivosti v interpretaciji ter razumevanju opažanj 7. Poglavitne vrzeli v razumevanju so predvsem pomanjkljivo znanje o vzrokih, nevrobioloških mehanizmih in funkcijski vlogi spontane možganske aktivnosti in dinamike možganskih omrežij. Pomembna smer razvoja so tudi izboljšave tehnologij za merjenje možganske aktivnosti in razvoj standardnih analitskih orodij, ki bi omogočile natančnejše meritve in zanesljivejšo ponovljivost opažanj. fMR kot prevladujoča metoda proučevanja mirovnega stanja denimo zaznava relativno počasno možgansko aktivnost s časovno ločljivostjo v razponu 2–3 sekund, medtem ko se živčni signali tvorijo na ravni milisekund. Zato je precejšnja pozornost na razvoju fMR-tehnologije z boljšo časovno resolucijo, ki bi omogočala zaznavanje hitrejših sprememb v možganski aktivnosti. Po drugi strani pa metodi EEG in MEG omogočata natančnejšo časovno ločljivost, vendar slabšo prostorsko ločljivost, zato je tudi vse več zanimanja za uporabo multimodalnih načinov slikanja možganov, kot je recimo sočasno EEG- in fMR-slikanje. Boljše razumevanje dinamike možganske aktivnosti in napredek v tehnologiji za proučevanje možganov bi lahko bistveno pripomogla k razumevanju delovanja možganov v primeru zdravja ali bolezni ter omogočila tudi pomemben napredek v medicini.

    ___
  1. Raichle, M. E. The restless brain: how intrinsic activity organizes brain function. Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci. 370, 20140172 (2015). 

  2. Cabral, J., Kringelbach, M. L. & Deco, G. Exploring the network dynamics underlying brain activity during rest. Prog. Neurobiol. 114, 102–131 (2014). 

  3. Biswal, B., Yetkin, F., Haughton, V. & Hyde, J. Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using. Magn. Reson. Med. 34, 537–541 (1995). 

  4. Preti, M. G., Bolton, T. A. & Van De Ville, D. The dynamic functional connectome: State-of-the-art and perspectives. Neuroimage 160, 41–54 (2017). 

  5. Greicius, M. D., Krasnow, B., Reiss, A. L. & Menon, V. Functional connectivity in the resting brain: A network analysis of the default mode hypothesis. Proc. Natl. Acad. Sci. 100, 253–258 (2003). 

  6. de Pasquale, F. et al. A Cortical Core for Dynamic Integration of Functional Networks in the Resting Human Brain. Neuron 74, 753–764 (2012). 

  7. Hutchison, R. M. et al. Dynamic functional connectivity: Promise, issues, and interpretations. Neuroimage 80, 360–378 (2013). 

  8. Moussa, M. N., Steen, M. R., Laurienti, P. J. & Hayasaka, S. Consistency of Network Modules in Resting-State fMRI Connectome Data. PLoS One 7, (2012). 

  9. Cole, M. W., Bassett, D. S., Power, J. D., Braver, T. S. & Petersen, S. E. Intrinsic and task-evoked network architectures of the human brain. Neuron 83, 238–251 (2014). 

Nina Purg, MSc Neuroscience,
Oddelek za psihologijo
Filozofska fakulteta
Univerza v Ljubljani