V prvních dnech funkční magnetické rezonance (fMRI), výzkumníci většinou analyzovány jak oblastech mozku reagoval na podnět, ať už světlo, hluk, nebo nějaký kognitivní úkol. Ale jako postgraduální student na Lékařské fakultě ve Wisconsinu v Milwaukee měl Bharat Biswal neobvyklou žádost svých testovacích subjektů fMRI: vylézt do skeneru a dělat, dobře, nic.
výchozí režim sítě, je zde znázorněno v klidovém stavu, fMRI skeny (Horní), zahrnuje posterior cingulate mozkové kůry, hipokampus a mediální prefrontální kůře. (Nižší) Diffusion tensor imaging, MRI technika, která upozorňuje na mozkové bílé hmoty, odhalí nervová vlákna spojující tyto oblasti mozku (posterior cingulate cortex v červené; mediální prefrontální kůry v žluté; hippocampus v zelené a růžové). Upraveno od ref. 5, se svolením Oxford University Press.
Biswal očekával, že spontánní neuronální chvění v klidu bude víceméně náhodné a nestrukturované. Místo toho viděl strukturu, organizaci, korelace mezi skupinami mozkových oblastí, o nichž bylo známo, že fungují společně. Různé oblasti senzorimotorického systému mozku kolísaly pomalu a synchronně bez výslovného úkolu. To byl první krok směrem ke studiu „klidovém stavu připojení,“ přístup, který slibuje, že pomůže vědci studii funkční organizace jak zdravé a abnormální mozku, zejména u dětí a ostatní, kteří nemohou dokončit náročné kognitivní úkoly. (Viz perspektivní strana 14105.)
dokument Biswal z roku 1995, který je nyní uznáván jako studie fMRI v klidovém stavu, zpočátku získal malou pozornost (1). Ale v roce 2001 neurovědec Marcus Raichle a jeho kolegové z Washingtonské univerzity v St. Louis vyvolal rozšířený zájem o přístup, když popsali dříve neznámou mozkovou síť, která vypadala, že hraje klíčovou roli v základním nebo výchozím režimu mozku (2). Na rozdíl od senzomotorických a několik dalších mozkových sítí, které byly původně identifikovány jejich aktivace v průběhu úkoly, tuto záhadu sítě zobrazí vysoké základní činnosti, které ve skutečnosti snížil, když subjekty zapojené v řadě kognitivních úkolů.
„To řekl něco důležitého o probíhající činnosti mozku, a skutečnost, že to není jen seděl a čekal na někoho v bílém plášti přijde a řekne vám, co dělat,“ říká Raichle.
Překvapený tím, co mozek dělá během údajně neaktivní období, Raichle a jiní začali zkoumat tento tzv. „default mode network“, což se zdálo být zapojen do high-úrovni kognitivních procesů, jako je self-vědomí a paměti. Michael Greicius, behaviorální neurolog na Stanford University v Kalifornii, brzy následoval na Raichle práci tím, že prokáže, že v klidu, jednotlivých částí mozku je výchozí režim sítě ukazují korelaci oscilace, stejně jako Biswal viděl na senzorimotorické sítě (3).
„tato série článků skutečně zvýšila profil výzkumu,“ říká Biswal, nyní profesor na New Jersey Institute of Technology v Newarku. Zjištění naznačují, že sítě oblastí mozku, které se během úkolů aktivují nebo deaktivují společně, udržují podpisy jejich konektivity, které lze detekovat a studovat i v klidu. Potenciálně to znamenalo, že neurovědci budou schopni mapovat základní schéma zapojení mozku bez použití speciálně navržených úkolů.
myšlenka vyvolala intenzivní zájem, ale také zdravou dávku skepticismu mnoha neurovědců. „Zdálo se to příliš dobré na to, aby to byla pravda, a příliš snadné,“ říká Greicius. „Lidé se začali ptát, jestli by to mohlo být opravdu neurální.“
Mnozí vědci se původně ptal, zda rytmické, synchronizované výkyvy pozorované v klidovém stavu, může být artefakty z jiných tělesných funkcí, jako je dýchání nebo srdeční tep. Ale tyto pochybnosti se postupně vybledlý, zatímco další studie replikována a rozšířena na předčasné závěry. Výzkum ukázal, že koreluje aktivita vedla podél strukturální sítě nervových vláken v mozku, a to chirurgicky přerušení spojení mezi oblastmi, které by mohly narušit klidovém stavu, síťové aktivity, to vše naznačuje, že korelace odráží skutečné a zásadní aspekt neuronální komunikace (4⇓-6). Přesná funkce sítě výchozího režimu zůstává předmětem debaty, ale její složky mozkové oblasti jsou zapojeny do takových procesů, jako je sebereferenční myšlení, emoční zpracování a vyvolávání vzpomínek.
Kromě senzomotorické a default mode sítě, mnoho jiných mozkových sítí byly pozorovány na zbytek, včetně těch, které se podílejí zraku, sluchu a paměti (7). V každém z těchto případů, stejné regiony, které společně oheň během úkolů, zdá se, broukat spolu v klidu, udržování podpis jejich funkční organizace. Pomalé, synchronizované oscilace v rámci každé sítě, které jsou na sobě nezávislé—jsou také mimořádně robustní, přetrvávající i během spánku a v narkóze (8, 9).
v posledních letech se přijetí tohoto přístupu rozjelo. A v roce 2010, kdy NIH zahájila Lidský Konektom Project—large-scale, pět-rok snaze zmapovat mozek se sítí více než 1000 lidí—agentura vybrané odpočinku-state fMRI jako jeden z hlavních techniky pro projekt. „To byl velký signál z celého pole, že připojení klidového stavu je připraveno na hlavní čas,“ říká Greicius.
S odpočinku-state fMRI, neurologové mohou studovat aktivitu mozku u malých dětí nebo u pacientů, kteří by jinak byli schopni dokončit dlouho experimenty nebo provádět složité kognitivní úkoly. A na rozdíl od zobrazování na základě úkolů, které obvykle zdůrazňuje jednu mozkovou síť spojenou s jakýmkoli daným úkolem, fMRI v klidovém stavu umožňuje vědcům pozorovat mnoho sítí najednou. Jednoduchost postupu a jeho relativně krátké trvání (často trvá asi 5-10 minut ve srovnání s 30 minutami nebo více u mnoha studií založených na úkolech)také vědcům usnadnila replikaci experimentů a porovnání výsledků.
Neurolog Wei Gao, v Cedars-Sinai Medical Center v Los Angeles, je jedním z několika vyšetřovatelé pomocí odpočívá-state fMRI ve spaní dětí studovat, jak mozek sítí formě a vyvíjet se v průběhu vývoje. Zatímco některé obvody, jako je senzomotorická síť a sluchová síť, se při narození zdají poměrně dobře zavedené, Gao zjistil, že jiné sítě, jako je síť výchozího režimu, se vyvíjejí mnohem pomaleji (10).
„ve dvou týdnech věku neexistuje síť výchozího režimu sama o sobě, pouze izolované oblasti mozku,“ říká. Výsledky Gao ukazují, že hlavní oblasti sítě se během prvního roku postupně synchronizují, přičemž další vylepšení pokračují nejméně do dvou let (10, 11). Funkce těchto změn je stále nejasný, ale Gao zjištění sladit s psychologické údaje, které ukazují, že děti obvykle zahájit self-obdivné a trapné chování mezi 14 a 20 měsíců, a naučit se rozpoznávat své vlastní odrazy mezi 20 a 24 měsíců (12).
zobrazování v klidovém stavu může také poskytnout nový pohled na to, jak se připojení mozku zhoršuje. Například narušení sítě výchozího režimu bylo spojeno s Alzheimerovou chorobou, depresí, autismem a schizofrenií (13). V případě autismu, oba task-based a některé klidovém stavu, studie také odhalily abnormální vzory „budou moci používat klidovém stavu, k prohlédnutí malé děti a lidé s řadou schopností je skvělá věc pro oblasti klinicky.“- Lucina Uddinof konektivita v několika dalších sítích, včetně těch, které se zabývají pracovní pamětí, jazykem, zpracováním emocí a sociálním poznáním (14).
„Jsme stále v raných fázích objevu,“ říká kognitivní neurovědec Lucina Uddin, kteří studium autismu u dětí na University of Miami na Floridě. S task-based imaging s dominuje oblasti po desetiletí, nedostatek dat existuje od dětí a lidí s těžkým autismem příznaky, které často nelze dokončit standardní psychologický experiment ve skeneru. „Schopnost používat klidový stav ke skenování malých dětí a lidí s řadou schopností je pro obor klinicky skvělá věc,“ říká Uddin.
doposud se ukázalo, že biomarkery fMRI pro diagnostiku jedinců s autismem nebo neurodegenerativními chorobami se obtížně vyvíjejí. Vědci však doufají, že využijí konektivitu v klidovém stavu, aby pomohli zlepšit léčbu neuropsychiatrických pacientů, kteří již byli diagnostikováni jinými prostředky.
Na Harvard Medical School v Bostonu, Massachusetts, neurolog Michael Fox vyšetřuje sítí zapojených do terapeutické stimulace mozku, soubor technik používaných k léčbě Parkinsonovy choroby, deprese, a další podmínky. Vědci mají stále jen vágní představu o tom, jak tyto techniky zmírňují neurologické příznaky a proč jsou některá stimulační místa nejúčinnější.
“ Pokud se chcete pokusit pochopit, jak se stimulace mozku šíří a ovlivňuje síť, musíte pochopit, jak tato síť vypadá,“ říká Fox. Nedávná studie konektivity v klidovém stavu jeho skupiny naznačuje, že různá stimulační místa, která pracují pro stejnou poruchu, často patří do stejné mozkové sítě, zatímco se zdá, že neúčinná místa nejsou připojena (15). Zjištění, říká Fox, naznačuje, že v budoucnu by mapy konektivity v klidovém stavu mohly být použity k předpovědi, zda budou určitá místa účinná u jednotlivého pacienta, nebo k nalezení nových kandidátských míst pro stimulaci.
aplikace pro připojení v klidovém stavu se stále rozšiřují. „Myslím, že jsem nepředpokládal, že později bude o tuto práci takový zájem,“ říká Biswal.
Raichle a další připisují této technice jednoduchost a všestrannost. „Můžete studovat novorozené děti a dívat se na ně vyvíjet, a můžete skočit na druhý konec spektra a studovat lidi, kteří jsou stárnutí a nefunguje dobře,“ říká. „Je to opravdu otevřel dveře ke studiu funkční organizace mozku.“