i de tidlige dage af funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) analyserede forskere for det meste, hvordan hjerneområder reagerede på en stimulus, hvad enten det var et lys, en støj eller en slags kognitiv opgave. Bharat Bisval havde en usædvanlig anmodning fra sine fMRI-testpersoner: klatre ind i scanneren og gør, godt, intet.
standardtilstandsnetværket, vist her i hviletilstand fMRI-scanninger (øverste), inkluderer den bageste cingulatbark, hippocampus og den mediale præfrontale hjernebark. (Lavere) Diffusionstensorbilleddannelse, en MR-teknik, der fremhæver hjernens hvide stof, afslører nervefibre, der forbinder disse hjerneområder (posterior cingulatbark i rødt; medial præfrontal bark i gul; hippocampus i grøn og lyserød). Tilpasset fra ref. 5, med tilladelse fra University Press.
Bisval forventede, at den spontane neuronale snak i hvile ville være mere eller mindre tilfældig og ustruktureret. I stedet så han struktur, organisation, sammenhænge mellem grupper af hjerneområder, der var kendt for at fungere sammen. Forskellige regioner i hjernens sensorimotoriske system svingede langsomt og synkront i mangel af nogen eksplicit opgave. Det var det første skridt mod studiet af “hvilestatsforbindelse”, en tilgang, der lover at hjælpe forskere med at studere den funktionelle organisering af både den sunde og unormale hjerne, især hos børn og andre, der ikke kan udføre udfordrende kognitive opgaver. (Se perspektiv side 14105.1995 papir, som nu er anerkendt som en skelsættende hvilende-tilstand fMRI undersøgelse, fik lidt opmærksomhed i første omgang (1). Men i 2001, neurovidenskabsmand Marcus Raichle og hans kolleger ved Universitetet i St. Louis udløste stor interesse for tilgangen, da de beskrev et tidligere ukendt hjernenetværk, der syntes at spille en nøglerolle i en baseline eller standardtilstand i hjernen (2). I modsætning til sensorimotoren og flere andre hjernenetværk, som oprindeligt blev identificeret ved deres aktivering under opgaver, viste dette mysterienetværk høj baseline-aktivitet, der faktisk faldt, når emner engagerede sig i en række kognitive opgaver.
” det sagde noget vigtigt om hjernens igangværende aktivitet, og det faktum, at det ikke bare sidder der og venter på, at nogen i en hvid frakke kommer sammen og fortæller dig, hvad du skal gøre,” siger Raichle.fascineret af, hvad hjernen kan gøre i angiveligt inaktive perioder, begyndte Raichle og andre at udforske dette såkaldte “standardtilstandsnetværk”, som syntes at være involveret i kognitive processer på højt niveau, såsom selvbevidsthed og hukommelse. Michael Greicius, en adfærdsmæssig neurovidenskabsmand ved Stanford University i Californien, fulgte snart Raichles arbejde ved at demonstrere, at de enkelte komponenter i hjernens standardtilstandsnetværk i hvile viser korrelerede svingninger, ligesom Bisval havde set for sensorimotorisk netværk (3).
“denne serie af papirer øgede virkelig forskningens profil,” siger han. Resultaterne antydede, at netværk af hjerneområder, der aktiverer eller deaktiverer sammen under opgaver, opretholder underskrifter af deres forbindelse, der kan detekteres og studeres selv i hvile. Potentielt betød det, at neurovidenskabere ville være i stand til at kortlægge hjernens grundlæggende ledningsdiagram uden brug af specialdesignede opgaver.
ideen skabte intens interesse, men også en sund dosis skepsis fra mange neurovidenskabere. “Det virkede bare for godt til at være sandt og for let,” siger Greicius. “Folk begyndte at spekulere på, om det virkelig kunne være neuralt.”
mange forskere stillede oprindeligt spørgsmålstegn ved, om de rytmiske, synkroniserede udsving, der blev observeret under hviletilstanden, kunne være artefakter af andre kropsfunktioner, såsom vejrtrækning eller hjerteslag. Men disse tvivl forsvandt gradvist, da flere undersøgelser replikerede og udvidede de tidlige fund. Forskning viste, at den korrelerede aktivitet løb langs strukturelle netværk af nervefibre i hjernen, og at kirurgisk afbrydelse af forbindelser mellem områder kunne forstyrre hviletilstandsnetværksaktivitet, hvilket tyder på, at korrelationerne afspejlede et ægte og grundlæggende aspekt af neuronal kommunikation (4 luss6). Den præcise funktion af standardtilstandsnetværket er fortsat et spørgsmål om debat, men dets komponenthjerneområder er involveret i sådanne processer som selvhenvisende tænkning, følelsesmæssig behandling og tilbagekaldelse af minder.
udover sensorimotoriske og standardtilstandsnetværk er mange andre hjernenetværk nu blevet observeret i hvile, herunder dem, der er involveret i syn, hørelse og hukommelse (7). I hvert af disse tilfælde synes de samme regioner, der skyder sammen under opgaver, at nynne sammen i ro og opretholde en underskrift af deres funktionelle organisation. De langsomme, synkroniserede svingninger inden for hvert netværk—som er uafhængige af hinanden-er også bemærkelsesværdigt robuste, vedvarende selv under søvn og under anæstesi (8, 9).
i de senere år er accepten af tilgangen taget af. Og i 2010, da NIH lancerede Human Connectome-projektet-en storstilet, femårig indsats for at kortlægge hjernenetværkene på mere end 1.000 mennesker—valgte agenturet hvilende tilstand fMRI som en af kerneteknikkerne til projektet. “Det var et stort signal fra marken som helhed, at hvilestatsforbindelse er klar til prime time,” siger Greicius.
med hviletilstand fMRI kan neurovidenskabere studere hjerneaktivitet hos små børn eller patienter, der ellers ikke ville være i stand til at gennemføre lange eksperimenter eller udføre komplekse kognitive opgaver. Og i modsætning til opgavebaseret billeddannelse, som typisk fremhæver et enkelt hjernenetværk, der er forbundet med en given opgave, giver hviletilstand fMRI forskere mulighed for at observere mange netværk på en gang. Procedurens enkelhed og dens relativt korte varighed (ofte tager omkring 5-10 minutter sammenlignet med 30 minutter eller mere for mange opgavebaserede undersøgelser) har også gjort det lettere for forskere at replikere hinandens eksperimenter og sammenligne resultater.neuroscientist Gao, ved Cedars-Sinai Medical Center i Los Angeles, er en af flere efterforskere, der bruger hvilende tilstand fMRI hos sovende spædbørn for at studere, hvordan hjernenetværk dannes og udvikler sig under udvikling. Mens nogle kredsløb, såsom det sensorimotoriske netværk og det auditive netværk, forekommer ret veletablerede ved fødslen, har Gao fundet ud af, at andre netværk, såsom standardtilstandsnetværket, er meget langsommere at udvikle (10).
“ved to ugers alder er der ikke et standardtilstandsnetværk i sig selv, bare isolerede hjerneområder,” siger han. Gaos resultater viser, at kerneregioner i netværket gradvist synkroniseres i løbet af det første år, hvor yderligere forbedringer fortsætter mindst indtil to år (10, 11). Funktionen af disse ændringer er stadig uklar; men Gaos fund stemmer overens med psykologiske data, der viser, at babyer typisk indleder selvbeundrende og flov adfærd mellem 14 og 20 måneder og lærer at genkende deres egne refleksioner mellem 20 og 24 måneder (12).Hvilestatsbilleddannelse kan også give ny indsigt i, hvordan hjerneforbindelse går galt. Forstyrrelse af standardtilstandsnetværket har for eksempel været forbundet med sygdom, depression, autisme og schisofreni (13). I tilfælde af autisme, både opgavebaserede og nogle hvilestatsstudier har også afsløret unormale mønstre “at være i stand til at bruge hvilestatus til at scanne unge børn og mennesker med en række evner er en stor ting for feltet klinisk.”- Lucina Uddinof-forbindelse i flere andre netværk, herunder dem, der er involveret i arbejdshukommelse, sprog, følelsesbehandling og social kognition (14).
“Vi er stadig i de tidlige faser af opdagelsen,” siger kognitiv neurovidenskabsmand Lucina Uddin, der studerer autisme hos børn ved University of Miami i Florida. Med opgavebaseret billeddannelse, der har domineret feltet i årtier, eksisterer der mangel på data fra børn og personer med alvorlige autismesymptomer, som ofte ikke kan gennemføre et standard psykologisk eksperiment i scanneren. “At kunne bruge hviletilstand til at scanne unge børn og mennesker med en række evner er en stor ting for feltet klinisk,” siger Uddin.
indtil videre har fMRI-biomarkører til diagnosticering af personer med autisme eller neurodegenerative sygdomme vist sig vanskelige at udvikle. Men forskere håber at bruge hvilestatsforbindelse til at forbedre behandlinger for neuropsykiatriske patienter, der allerede er diagnosticeret på andre måder.på Harvard Medical School i Boston, Massachusetts, undersøger neurolog Michael ræv de netværk, der er involveret i terapeutisk hjernestimulering, et sæt teknikker, der anvendes til behandling af Parkinsons sygdom, depression og andre tilstande. Forskere har stadig kun en vag forståelse af, hvordan disse teknikker lindrer neurologiske symptomer, og hvorfor visse stimuleringssteder er mest effektive.
“Hvis du vil prøve at forstå, hvordan hjernestimulering formerer sig og påvirker et netværk, er du nødt til at forstå, hvordan dette netværk ser ud,” siger ræv. En nylig undersøgelse af hvilestatsforbindelse fra hans gruppe antyder, at forskellige stimuleringssteder, der arbejder for den samme lidelse, ofte hører til det samme hjernenetværk, mens ineffektive steder ikke synes at være forbundet (15). Fundet, siger ræv, antyder, at hviletilslutningskort i fremtiden kunne bruges til at forudsige, om visse steder vil være effektive hos en individuel patient, eller at lokalisere nye kandidatsteder til stimulering.
applikationer til hviletilstand-forbindelse fortsætter med at udvide. “Jeg tror ikke, jeg havde forventet, at der senere ville være så stor interesse for dette arbejde,” siger han.
Raichle m. fl. anerkender teknikkens enkelhed og alsidighed. “Du kan studere nyfødte børn og se dem udvikle sig, og du kan hoppe til den anden ende af spektret og studere mennesker, der ældes og ikke klarer sig godt,” siger han. “Det har virkelig åbnet døren til at studere hjernens funktionelle organisation.”