a funkcionális mágneses rezonancia képalkotás (fMRI) kezdeti napjaiban a kutatók többnyire azt elemezték, hogy az agyterületek hogyan reagáltak egy ingerre, legyen az fény, zaj vagy valamilyen kognitív feladat. De a Milwaukee-i Wisconsini Orvosi Főiskola végzős hallgatójaként Bharat Biswalnak szokatlan kérése volt az fMRI tesztalanyaitól: mássz be a szkennerbe, és ne csinálj semmit.
Az alapértelmezett módú hálózat, amelyet itt nyugalmi állapotú fMRI vizsgálatokban (felső) mutatunk be, magában foglalja a posterior cinguláris kérget, a hippocampust és a mediális prefrontális kérget. (Alsó) diffúziós tenzor képalkotás, egy MRI technika, amely kiemeli az agy fehér anyagát, feltárja az idegrostokat, amelyek összekötik ezeket az agyi régiókat(posterior cingulate cortex piros; mediális prefrontális cortex sárga; hippocampus zöld és rózsaszín). Adaptálva a ref. 5, Az Oxford University Press engedélyével.
Biswal arra számított, hogy a nyugalmi állapotban lévő spontán neuronális fecsegés többé-kevésbé véletlenszerű és strukturálatlan lesz. Ehelyett struktúrát, szervezetet, összefüggéseket látott az agyrégiók csoportjai között, amelyekről ismert, hogy együtt működnek. Az agy szenzomotoros rendszerének különböző régiói lassan és szinkronban ingadoztak kifejezett feladat hiányában. Ez volt az első lépés a “nyugalmi állapot összekapcsolódásának” tanulmányozása felé, amely azt ígéri, hogy segít a kutatóknak tanulmányozni mind az egészséges, mind az abnormális agy funkcionális szerveződését, különösen gyermekeknél és másoknál, akik nem tudják elvégezni a kihívást jelentő kognitív feladatokat. (Lásd perspektíva oldal 14105.)
Biswal 1995-ös tanulmánya, amelyet ma már alapvető nyugalmi állapotú fMRI tanulmányként ismernek el, eleinte kevés figyelmet kapott (1). De 2001-ben Marcus Raichle idegtudós és kollégái a Washington Egyetemen, St. Louis széles körű érdeklődést váltott ki a megközelítés iránt, amikor egy korábban ismeretlen agyi hálózatot írtak le, amely kulcsszerepet játszott az agy alapvonalában vagy alapértelmezett módjában (2). Ellentétben a szenzomotorral és számos más agyi hálózattal, amelyeket kezdetben a feladatok során történő aktiválásuk azonosított, ez a rejtélyes hálózat magas kiindulási aktivitást mutatott, amely valójában csökkent, amikor az alanyok különféle kognitív feladatokat végeztek.
“valami fontosat mondott az agy folyamatos aktivitásáról, és arról a tényről, hogy nem csak ül ott, várva, hogy valaki fehér köpenyben jöjjön, és megmondja, mit kell tennie” – mondja Raichle.
érdeklődve, hogy mit csinál az agy az állítólag inaktív időszakokban, Raichle és mások elkezdték felfedezni ezt az úgynevezett “alapértelmezett módú hálózatot”, amely úgy tűnt, hogy részt vesz a magas szintű kognitív folyamatokban, mint például az öntudat és a memória. Michael Greicius, a kaliforniai Stanford Egyetem viselkedési idegtudósa hamarosan követte Raichle munkáját annak bemutatásával, hogy nyugalmi állapotban az agy alapértelmezett módú hálózatának egyes összetevői Korrelált oszcillációkat mutatnak, ahogyan Biswal látta a szenzomotoros hálózat esetében (3).
“Ez a cikksorozat valóban növelte a kutatás profilját” – mondja Biswal, aki most a New Jersey-i Technológiai Intézet professzora Newarkban. Az eredmények azt sugallták, hogy az agyi régiók hálózatai, amelyek a feladatok során együtt aktiválódnak vagy deaktiválódnak, fenntartják a kapcsolódásuk aláírását, amely nyugalmi állapotban is kimutatható és tanulmányozható. Potenciálisan ez azt jelentette, hogy az idegtudósok képesek lennének feltérképezni az agy alapvető bekötési rajzát speciálisan tervezett feladatok használata nélkül.
az ötlet intenzív érdeklődést váltott ki, de sok idegtudós egészséges adag szkepticizmusát is. “Túl szépnek tűnt ahhoz, hogy igaz legyen, és túl könnyű” – mondja Greicius. “Az emberek azon kezdtek gondolkodni, hogy valóban idegi lehet-e.”
sok kutató kezdetben megkérdőjelezte, hogy a nyugalmi állapotban megfigyelt ritmikus, szinkronizált ingadozások más testi funkciók, például légzés vagy szívverés következményei lehetnek-e. De ezek a kétségek fokozatosan elhalványultak, ahogy több tanulmány megismételte és kibővítette a korai eredményeket. A kutatások azt mutatták, hogy a korrelált aktivitás az agy idegrostjainak szerkezeti hálózatai mentén haladt, és hogy a területek közötti kapcsolatok műtéti megszakítása megzavarhatja a nyugalmi állapot hálózati aktivitását, mindez arra utal, hogy a korrelációk az idegsejtek kommunikációjának valódi és alapvető aspektusát tükrözik (4-6). Az alapértelmezett módú hálózat pontos funkciója továbbra is vita tárgyát képezi, de az agy komponens régiói olyan folyamatokban vesznek részt, mint az önreferenciális gondolkodás, az érzelmi feldolgozás és az emlékek felidézése.
a szenzomotoros és alapértelmezett módú hálózatok mellett számos más agyi hálózatot is megfigyeltek nyugalmi állapotban, beleértve a látásban, hallásban és a memóriában részt vevőket is (7). Ezen esetek mindegyikében úgy tűnik, hogy ugyanazok a régiók, amelyek a feladatok során együtt tüzelnek, nyugalomban együtt zümmögnek, megtartva funkcionális szervezetük aláírását. Az egyes hálózatokon belüli—egymástól független—lassú, szinkronizált rezgések szintén rendkívül robusztusak, még alvás közben és altatásban is fennmaradnak (8, 9).
az elmúlt években a megközelítés elfogadása elindult. 2010—ben, amikor az NIH elindította a Human Connectome projektet-egy nagyszabású, ötéves erőfeszítést több mint 1000 ember agyi hálózatának feltérképezésére-az Ügynökség a nyugalmi állapotú fMRI—t választotta a projekt egyik alapvető technikájának. “Ez nagy jelzés volt a mezőtől, hogy a nyugalmi állapotú kapcsolat készen áll a főműsoridőre” – mondja Greicius.
a nyugalmi állapotú fMRI-vel az idegtudósok tanulmányozhatják az agyi aktivitást kisgyermekeknél vagy olyan betegeknél, akik egyébként nem lennének képesek hosszú kísérleteket végezni vagy összetett kognitív feladatokat végrehajtani. A feladatalapú képalkotással ellentétben, amely általában egyetlen agyi hálózatot emel ki egy adott feladathoz kapcsolódóan, a nyugalmi állapotú fMRI lehetővé teszi a kutatók számára, hogy egyszerre több hálózatot figyeljenek meg. Az eljárás egyszerűsége és viszonylag rövid időtartama (gyakran körülbelül 5-10 percet vesz igénybe, szemben a 30 perces vagy annál hosszabb időtartamú feladatokkal), megkönnyítette a kutatók számára, hogy megismételjék egymás kísérleteit és összehasonlítsák az eredményeket.Wei Gao, a Los Angeles-i Cedars-Sinai Medical Center Idegtudósa azon kutatók egyike, akik alvó csecsemőknél nyugalmi állapotú fMRI-t használnak annak tanulmányozására, hogy az agyi hálózatok hogyan alakulnak és fejlődnek a fejlődés során. Míg egyes áramkörök, mint például a szenzomotoros hálózat és az auditív hálózat, születéskor meglehetősen jól megalapozottnak tűnnek, a Gao megállapította, hogy más hálózatok, például az alapértelmezett módú hálózat, sokkal lassabban fejlődnek (10).
“két hetes korban önmagában nincs alapértelmezett módú hálózat, csak elszigetelt agyi régiók” – mondja. A Gao eredményei azt mutatják, hogy a hálózat központi régiói fokozatosan szinkronizálódnak az első év során, további finomítások folytatódnak legalább kétéves korig (10, 11). Ezeknek a változásoknak a funkciója még nem tisztázott; de Gao megállapításai összhangban vannak a pszichológiai adatokkal, amelyek azt mutatják, hogy a csecsemők általában 14-20 hónapos korukban kezdik el az önimádó és zavarba ejtő viselkedést, és megtanulják felismerni saját reflexióikat 20-24 hónapos korukban (12).
a nyugalmi állapotú képalkotás új betekintést nyújthat abba is, hogy az agyi kapcsolat hogyan romlik el. Az alapértelmezett módú hálózat megzavarása például Alzheimer-kórhoz, depresszióhoz, autizmushoz és skizofréniához kapcsolódik (13). Abban az esetben, autizmus, mind a feladat-alapú és néhány nyugalmi állapotban tanulmányok is kiderült abnormális minták”, hogy képes használni nyugalmi állapotban, hogy átvizsgálja a fiatal gyerekek és az emberek egy sor képességek egy nagy dolog a területen klinikailag.”- Lucina Uddinof kapcsolat számos más hálózatok, beleértve azokat, amelyek részt vesznek a munkamemória, a nyelv, az érzelmek feldolgozása, és a társadalmi megismerés (14).
“még mindig a felfedezés korai szakaszában vagyunk” – mondja Lucina Uddin kognitív idegtudós, aki a floridai Miami Egyetem gyermekeinek autizmusát tanulmányozza. Mivel a feladatalapú képalkotás évtizedek óta uralja a terepet, adathiány áll fenn a gyermekek és a súlyos autista tünetekkel küzdő emberek körében, akik gyakran nem tudnak elvégezni egy szokásos pszichológiai kísérletet a szkennerben. “A nyugalmi állapot használata a fiatal gyerekek és a különböző képességekkel rendelkező emberek szkennelésére nagyszerű dolog a területen klinikailag” -mondja Uddin.
eddig az autizmussal vagy neurodegeneratív betegségekkel küzdő egyének diagnosztizálására szolgáló fMRI biomarkerek nehéznek bizonyultak. De a tudósok remélik, hogy a nyugalmi állapot összekapcsolódását használják a neuropszichiátriai betegek kezelésének javítására, akiket más eszközökkel már diagnosztizáltak.
a bostoni Harvard Medical School-ban Michael Fox neurológus vizsgálja a terápiás agyi stimulációban részt vevő hálózatokat, a Parkinson-kór, a depresszió és más állapotok kezelésére használt technikákat. A kutatóknak még mindig csak homályos megértése van arról, hogy ezek a technikák hogyan enyhítik a neurológiai tüneteket, és miért bizonyos stimulációs helyek a leghatékonyabbak.
“Ha meg akarod érteni, hogy az agyi stimuláció hogyan terjed és befolyásolja a hálózatot, meg kell értened, hogy néz ki a hálózat” – mondja Fox. Csoportja nemrégiben végzett nyugalmi állapot-összekapcsolódási tanulmánya azt sugallja, hogy a különböző stimulációs helyek, amelyek ugyanazon rendellenességnél működnek, gyakran ugyanahhoz az agyhálózathoz tartoznak, míg a hatástalan helyek nem kapcsolódnak egymáshoz (15). A megállapítás, mondja Fox, azt sugallja, hogy a jövőben, a nyugalmi állapot kapcsolódási térképei felhasználhatók annak előrejelzésére, hogy bizonyos helyek hatékonyak lesznek-e az egyes betegeknél, vagy új jelölt helyek felkutatására stimuláció céljából.
a nyugalmi állapotú kapcsolatok alkalmazásai tovább bővülnek. “Nem hiszem, hogy számítottam volna arra, hogy később ekkora érdeklődés lesz ez a munka iránt” – mondja Biswal.
Raichle és mások elismerik a technika egyszerűségét és sokoldalúságát. “Tanulmányozhatja az újszülött gyermekeket, és figyelheti őket, hogy fejlődjenek, és ugorhat a spektrum másik végére, és tanulmányozhatja az öregedő és nem jól teljesítő embereket” – mondja. “Ez valóban megnyitotta az ajtót az agy funkcionális szerveződésének tanulmányozásához.”