in the early days of functional magnetic resonance imaging (fMRI), tutkijat lähinnä analysoivat, miten aivojen alueet reagoivat ärsykkeeseen, oli se sitten valo, melu tai jonkinlainen kognitiivinen tehtävä. Mutta kuten jatko-opiskelija Medical College of Wisconsin, Milwaukee, Bharat Biswal oli epätavallinen pyyntö hänen fMRI koehenkilöt: kiivetä skanneriin ja tehdä, No, mitään.
tässä lepotilan fMRI-skannauksissa (Ylempi) esitetty oletustilan verkko sisältää posteriorisen cingulate Cortexin, hippokampuksen ja mediaalisen prefrontaalisen aivokuoren. (Lower) Diffusion tensor imaging, MRI tekniikka, joka korostaa aivojen valkoista ainetta, paljastaa hermosyitä yhdistää nämä aivojen alueet (posterior cingulate cortex punaisella; medial etuotsalohko keltainen; hippokampus vihreä ja vaaleanpunainen). Mukautettu viite. 5, luvalla Oxford University Press.
Biswal oletti, että spontaani hermosolujen lörpöttely levossa olisi enemmän tai vähemmän satunnaista ja rakenteetonta. Sen sijaan hän näki rakennetta, organisaatiota, korrelaatioita aivoalueiden ryhmissä, joiden tiedettiin toimivan yhdessä. Aivojen sensorimotorijärjestelmän eri alueet vaihtelivat hitaasti ja synkronisesti eksplisiittisen tehtävän puuttuessa. Se oli ensimmäinen askel kohti tutkimusta ”lepo-tilassa yhteydet,” lähestymistapa, joka lupaa auttaa tutkijoita tutkimaan toiminnallista organisaatiota sekä terveiden ja epänormaalien aivojen, erityisesti lapsilla ja muilla, jotka eivät voi suorittaa haastavia kognitiivisia tehtäviä. Perspektiivi s. 14105.)
Biswalin vuonna 1995 julkaisema tutkielma, joka on nykyisin tunnustettu seminaaliseksi lepoajan fMRI-tutkimukseksi, sai aluksi vain vähän huomiota (1). Mutta vuonna 2001 neurotieteilijä Marcus Raichle ja hänen kollegansa Washingtonin yliopistossa St. Louis herätti laajaa kiinnostusta lähestymistapaan, kun he kuvailivat aiemmin tuntematonta aivoverkostoa, jolla näytti olevan keskeinen rooli aivojen lähtötilanteessa eli oletustilassa (2). Toisin kuin sensorimotor ja useat muut aivoverkot, jotka alun perin tunnistettiin niiden aktivoitumisesta tehtävien aikana, tässä mysteeriverkossa näkyi korkea lähtötason aktiivisuus, joka itse asiassa väheni koehenkilöiden suorittaessa erilaisia kognitiivisia tehtäviä.
”se kertoi jotain tärkeää aivojen jatkuvasta toiminnasta ja siitä, että se ei vain istu siinä odottamassa, että joku valkotakkinen tulee kertomaan, mitä pitää tehdä”, raichle sanoo.
kiinnostuneena siitä, mitä aivot saattavat tehdä oletetun toimimattoman ajan aikana, Raichle ja muut alkoivat tutkia tätä niin sanottua ”oletustilaverkostoa”, joka näytti olevan mukana korkean tason kognitiivisissa prosesseissa, kuten itsetietoisuudessa ja muistissa. Michael Greicius, käyttäytymistieteellinen neurotieteilijä Stanfordin yliopistosta Kaliforniasta, seurasi pian Raichlen työtä osoittamalla, että levossa aivojen oletustilaverkon yksittäiset komponentit osoittavat korreloivia värähtelyjä, aivan kuten Biswal oli nähnyt sensorimotoriverkossa (3).
”tuo kirjoitussarja todella nosti tutkimuksen profiilia”, sanoo Biswal, joka toimii nykyään professorina Newarkissa sijaitsevassa New Jersey Institute of Technologyssa. Havainnot viittasivat siihen, että tehtävien aikana aktivoituvien tai deaktivoituvien aivoalueiden verkostot ylläpitävät yhteyksiensä allekirjoituksia, jotka voidaan havaita ja tutkia myös levossa. Mahdollisesti se tarkoitti sitä, että neurotieteilijät pystyisivät kartoittamaan aivojen perusjohdotuskaavion ilman erityisesti suunniteltuja tehtäviä.
ajatus herätti voimakasta kiinnostusta, mutta myös terveellisen annoksen skeptisyyttä monilta neurotieteilijöiltä. ”Se vain tuntui liian hyvältä ollakseen totta ja liian helpolta”, Greicius sanoo. ”Ihmiset alkoivat miettiä, voisiko se todella olla neuraalista.”
monet tutkijat epäilivät aluksi, voivatko lepotilan aikana havaitut rytmiset, synkronoidut vaihtelut olla muiden ruumiintoimintojen, kuten hengityksen tai sydämenlyöntien artefakteja. Mutta nämä epäilykset hälvenivät vähitellen, kun uusia tutkimuksia monistettiin ja laajennettiin varhaisten löydösten pohjalta. Tutkimus osoitti, että korreloiva toiminta kulki aivojen hermosäikeiden rakenteellisia verkostoja pitkin ja että alueiden väliset kirurgiset yhteydet saattoivat häiritä lepotilan verkostotoimintaa, mikä kaikki viittaa siihen, että korrelaatiot heijastivat neuronaalisen viestinnän aitoa ja perustavaa laatua olevaa aspektia (4⇓-6). Oletustilan verkon tarkka toiminta on edelleen keskustelunaihe, mutta sen osa-aivoalueet osallistuvat sellaisiin prosesseihin kuin itseen viittaavaan ajatteluun, tunteiden käsittelyyn ja muistojen palauttamiseen.
sensorimotori-ja oletustilaverkostojen lisäksi levossa on nyt havaittu myös monia muita aivoverkostoja, muun muassa näkö -, kuulo-ja muistiverkkoja (7). Kussakin näistä tapauksista samat alueet, jotka ampuvat yhteen tehtävien aikana, näyttävät hyrisevän yhdessä levossa, säilyttäen toiminnallisen organisaationsa allekirjoituksen. Hitaat, synkronoidut värähtelyt kussakin verkostossa-jotka ovat toisistaan riippumattomia-ovat myös huomattavan kestäviä ja kestävät myös unen aikana ja nukutuksessa (8, 9).
viime vuosina lähestymistavan hyväksyntä on lähtenyt nousuun. Ja vuonna 2010, kun NIH käynnisti Human Connectome—projektin-laajamittaisen, viisivuotisen hankkeen yli 1000 ihmisen aivoverkostojen kartoittamiseksi-virasto valitsi lepotilan fMRI yhdeksi projektin keskeisistä tekniikoista. ”Se oli iso signaali kentältä ylipäätään, että lepotilayhteys on valmis parhaaseen katseluaikaan”, Greicius sanoo.
lepotilan fMRI: llä neurotieteilijät voivat tutkia aivojen toimintaa pienillä lapsilla tai potilailla, jotka eivät muuten pystyisi suorittamaan pitkiä kokeita tai suorittamaan monimutkaisia kognitiivisia tehtäviä. Ja toisin kuin tehtäväpohjainen kuvantaminen, joka tyypillisesti korostaa yksittäistä aivoverkostoa, joka liittyy mihin tahansa tehtävään, lepotila fMRI antaa tutkijoille mahdollisuuden tarkkailla monia verkkoja kerralla. Menettelyn yksinkertaisuus ja sen suhteellisen lyhyt kesto (kestää usein noin 5-10 min verrattuna 30 min tai enemmän monissa tehtäväpohjaisissa tutkimuksissa), on myös helpottanut tutkijoiden jäljitellä toistensa kokeita ja vertailla tuloksia.
neurotieteilijä Wei Gao Cedars-Sinai Medical Centeristä Los Angelesista on yksi useista tutkijoista, jotka käyttävät nukkuvien vauvojen lepotilan fMRI: tä tutkiakseen, miten aivoverkot muodostuvat ja kehittyvät kehityksen aikana. Siinä missä jotkin piirit, kuten sensorimotoriverkko ja auditoriaalinen verkko, vaikuttavat syntyessään melko vakiintuneilta, Gao on havainnut, että muut verkot, kuten oletustilan verkko, ovat paljon hitaampia kehittymään (10).
”kahden viikon iässä ei ole oletustilaverkostoa sinänsä, vain eristettyjä aivoalueita”, hän sanoo. GAO: n tulokset osoittavat, että verkon ydinalueet synkronoituvat vähitellen ensimmäisen vuoden aikana, ja lisätarkistukset jatkuvat ainakin kahden vuoden ikään (10, 11) asti. Näiden muutosten toiminta on vielä epäselvää; mutta Gao: n havainnot ovat linjassa psykologisten tietojen kanssa, jotka osoittavat, että vauvat tyypillisesti aloittavat itseään ihailevia ja noloja käyttäytymismalleja 14-20 kuukauden välillä ja oppivat tunnistamaan omat heijastuksensa 20-24 kuukauden iässä (12).
lepotilan kuvantaminen voi myös antaa uusia oivalluksia siitä, miten aivojen yhteys menee pieleen. Oletustilaverkon häiriö on yhdistetty esimerkiksi Alzheimerin tautiin, masennukseen, autismiin ja skitsofreniaan (13). Autismin tapauksessa sekä tehtäväpohjaiset että jotkut lepotilatutkimukset ovat myös paljastaneet epänormaaleja kuvioita ” kyky käyttää lepotilaa pienten lasten ja erilaisten kykyjen skannaamiseen on hieno asia alalle kliinisesti.”- Lucina Uddinof-yhteydet useissa muissa verkoissa, kuten työmuistiin, kieleen, tunteiden käsittelyyn ja sosiaaliseen kognitioon liittyvissä verkoissa (14).
”olemme vielä löytämisen alkuvaiheessa”, sanoo kognitiivinen neurotutkija Lucina Uddin, joka tutkii lasten autismia Miamin yliopistossa Floridassa. Tehtäväpohjaisen kuvantamisen vallitessa alaa vuosikymmeniä on pulaa tiedoista lapsista ja vakavista autismioireista kärsivistä ihmisistä, jotka eivät useinkaan pysty suorittamaan tavallista psykologista koetta skannerissa. ”Se, että pystyy käyttämään lepotilaa nuorten lasten ja erilaisten kykyjen skannaamiseen, on hieno asia alalle kliinisesti”, Uddin sanoo.
tähän mennessä autismin tai hermoston rappeumasairauksien diagnosointiin tarkoitetut fMRI-biomarkkerit ovat osoittautuneet vaikeiksi kehittää. Mutta tutkijat toivovat voivansa käyttää lepotilayhteyksiä parantaakseen hoitoja neuropsykiatrisille potilaille, jotka ovat jo saaneet diagnoosin muilla keinoin.
Harvard Medical Schoolissa Bostonissa Massachusettsissa neurologi Michael Fox tutkii verkostoja, jotka osallistuvat terapeuttiseen aivostimulaatioon, joka on joukko tekniikoita, joita käytetään Parkinsonin taudin, masennuksen ja muiden sairauksien hoidossa. Tutkijoilla on vielä vain epämääräinen käsitys siitä, miten nämä tekniikat lievittävät neurologisia oireita ja miksi tietyt stimulaatiopaikat ovat tehokkaimpia.
”Jos haluat yrittää ymmärtää, miten aivojen stimulaatio etenee ja vaikuttaa verkostoon, sinun täytyy ymmärtää, miltä se verkko näyttää”, Fox sanoo. Hänen ryhmänsä äskettäin tekemän lepotilayhteystutkimuksen mukaan samaan häiriöön vaikuttavat eri stimulaatiopaikat kuuluvat usein samaan aivoverkostoon, kun taas tehottomat paikat eivät näytä olevan yhteydessä toisiinsa (15). Foxin mukaan löydös viittaa siihen, että tulevaisuudessa lepotilayhteyskarttojen avulla voitaisiin ennustaa, ovatko tietyt kohteet tehokkaita yksittäisessä potilaassa, tai paikantaa uusia virikekohteita.
lepotilayhteyksien sovellukset laajenevat edelleen. ”En tainnut osata odottaa, että myöhemmin olisi näin paljon kiinnostusta tätä työtä kohtaan”, Biswal sanoo.
Raichle ja muut kiittävät tekniikan yksinkertaisuutta ja monipuolisuutta. ”Voi tutkia vastasyntyneitä lapsia ja seurata heidän kehittymistään, ja voi hypätä toiseen ääripäähän ja tutkia ihmisiä, jotka ikääntyvät ja eivät suoriudu hyvin”, hän sanoo. ”Se on todella avannut oven aivojen toiminnallisen organisaation tutkimiseen.”