Η γεωμετρία του ανθρώπινου εγκεφάλου διαμορφώνει τη λειτουργία του

Της Ηλιάνας Θέμελη

Οι ρυτίδες που δίνουν στον ανθρώπινο εγκέφαλο τη γνωστή καρυδόμορφη όψη του έχουν μεγάλη επίδραση στην εγκεφαλική δραστηριότητα, με τον ίδιο τρόπο που το σχήμα μιας καμπάνας καθορίζει την ποιότητα του ήχου της, σύμφωνα με μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature. Τα ευρήματα έρχονται σε αντίθεση με μια ευρέως διαδεδομένη θεωρία σχετικά με το ποια πτυχή της ανατομίας του εγκεφάλου καθοδηγεί τη λειτουργία του.

Οι ερευνητές συνέκριναν την επιρροή δύο συστατικών της φυσικής δομής του εγκεφάλου: των εξωτερικών πτυχών του εγκεφαλικού φλοιού- της περιοχής όπου λαμβάνει χώρα η περισσότερη εγκεφαλική δραστηριότητα υψηλότερου επιπέδου - και του connectome, του δικτύου νεύρων που συνδέει διακριτές περιοχές του εγκεφαλικού φλοιού. Η ομάδα διαπίστωσε ότι το σχήμα της εξωτερικής επιφάνειας ήταν καλύτερος προγνωστικός δείκτης των δεδομένων των εγκεφαλικών κυμάτων από ότι το connectome. "Χρησιμοποιούμε έννοιες από τη φυσική και τη μηχανική για να μελετήσουμε πώς η ανατομία καθορίζει τη λειτουργία", λέει ο συν-συγγραφέας της μελέτης James Pang, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Monash στη Μελβούρνη της Αυστραλίας.

Το connectome και τα κύματα

Η "διέγερση" ενός νευρώνα τον κάνει να πυροδοτηθεί, γεγονός που στέλνει ένα μήνυμα σε άλλους νευρώνες. Οι διεγερμένοι νευρώνες στον εγκεφαλικό φλοιό μπορούν να επικοινωνήσουν την κατάσταση διέγερσής τους στους άμεσους γείτονές τους στην επιφάνεια.

Κάθε νευρώνας διαθέτει επίσης ένα μακρύ νήμα που ονομάζεται άξονας και που τον συνδέει με μια μακρινή περιοχή εντός ή εκτός του φλοιού, επιτρέποντας στους νευρώνες να στέλνουν διεγερτικά μηνύματα σε απομακρυσμένα εγκεφαλικά κύτταρα. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, οι νευροεπιστήμονες έχουν χαρτογραφήσει σχολαστικά αυτόν τον ιστό συνδέσεων - το connectome - σε μια σειρά οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων.

Οι ερευνητές θέλησαν να κατανοήσουν πώς επηρεάζεται η εγκεφαλική δραστηριότητα από καθέναν από τους τρόπους με τους οποίους μπορεί να εξαπλωθεί η νευρωνική διέγερση: στην επιφάνεια του εγκεφάλου ή μέσω απομακρυσμένων διασυνδέσεων; Για να το πετύχουν αυτό αξιοποίησαν τη μαθηματική θεωρία των κυμάτων.

Τα φυσικά φαινόμενα περιλαμβάνουν πολλούς τύπους κυμάτων, από τα σεισμικά κύματα που συνιστούν τους σεισμούς μέχρι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του φωτός. Αλλά όλα αυτά τα φαινόμενα αποτυπώνονται από την ίδια απλή μαθηματική εξίσωση. Η εξίσωση αυτή επιτρέπει στους ερευνητές να υπολογίζουν τα μοτίβα των κυμάτων σε μια επιφάνεια με βάση αποκλειστικά τη γεωμετρία της.

Νευρωνική διέγερση

Η νευρωνική διέγερση του εγκεφάλου μπορεί να έρχεται σε κύματα, τα οποία μπορούν να εξαπλωθούν σε ολόκληρο τον εγκέφαλο και να ταξιδέψουν πίσω σε περιοδικές ταλαντώσεις.

Οι ερευνητές υπολόγισαν τους τρόπους διάδοσης των εγκεφαλικών κυμάτων για την επιφάνεια του φλοιού και για το connectome. Ως μοντέλο του connectome, χρησιμοποίησαν πληροφορίες που συγκεντρώθηκαν από τα MRI, τα οποία απεικονίζουν την ανατομία του εγκεφάλου. Στη συνέχεια εξέτασαν δεδομένα από περισσότερες από 10.000 εγγραφές λειτουργικής μαγνητικής τομογραφίας, η οποία απεικονίζει την εγκεφαλική δραστηριότητα με βάση τη ροή του αίματος.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι τρόποι διάχυσης των εγκεφαλικών κυμάτων στον εγκέφαλο σε ηρεμία καθώς και κατά τη διάρκεια μιας ποικιλίας δραστηριοτήτων - όπως κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας οπτικών ερεθισμάτων - εξηγούνταν καλύτερα από το μοντέλο της γεωμετρικής επιφάνειας από ότι από αυτό του connectome.

Ο David Van Essen, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο Ουάσιγκτων στο Saint Luis του Μιζούρι, ο οποίος ηγείται ενός προγράμματος connectome, λέει ότι τα δεδομένα της MRI που χρησιμοποίησε η ομάδα έχουν καλά τεκμηριωμένα μειονεκτήματα που καθιστούν τη σύγκριση "μη δίκαιη". Η ομάδα θα έπρεπε επίσης να είχε εξετάσει την εγκεφαλική δραστηριότητα από απλά ερεθίσματα που ενεργοποιούν μόνο τοπικές περιοχές του φλοιού, σύμφωνα με τον Van Essen. "Είναι εξαιρετικά απίθανο ότι το μοντέλο των μετακινούμενων κυμάτων που προτιμούν οι συγγραφείς θα μπορούσε να αναπαράγει τέτοια μοτίβα", ισχυρίζεται.

Ο James Pang λέει ότι θα ήταν ενδιαφέρον να δοκιμάσουν τα μοντέλα τους με αυτά τα ερεθίσματα και ότι οι αναλύσεις που έκαναν μέχρι στιγμής ο ίδιος και οι συνεργάτες του ήταν μια "απόδειξη αρχής".

Για τη μελέτη τους, οι συγγραφείς μοντελοποίησαν μια εξιδανικευμένη δομή του εγκεφάλου, αλλά είναι γνωστό ότι οι καρυδόμορφες πτυχές του φλοιού διαφέρουν σε σχήμα από άτομο σε άτομο.

Με πληροφορίες από: Nature (1), Nature (2), Indiana University

Τα άρθρα και τα σχόλια που δημοσιεύονται στην ιστοσελίδα Athenian Herald εκφράζουν τους συγγραφείς τους. Η Athenian Herald δεν φέρει καμία ευθύνη για τις απόψεις που εκφράζονται μέσω της ιστοσελίδας.