in de vroege dagen van functional magnetic resonance imaging (fMRI), analyseerden onderzoekers meestal hoe hersengebieden reageerden op een stimulus, of het nu een licht, een ruis of een soort cognitieve taak was. Maar als student aan het medisch College van Wisconsin in Milwaukee, had Bharat Biswal een ongewoon verzoek van zijn fMRI-proefpersonen: klim in de scanner en doe niets.
het standaard mode netwerk, hier weergegeven in rusttoestand fMRI scans (bovenste), omvat de posterior cingulate cortex, hippocampus en de mediale prefrontale cortex. (Lagere) Diffusion tensor imaging, een MRI-techniek die de witte materie van de hersenen benadrukt, onthult zenuwvezels die deze hersengebieden verbinden (posterior cingulate cortex in rood; mediale prefrontale cortex in geel; hippocampus in groen en roze). Aangepast van ref. 5, met toestemming van Oxford University Press.
Biswal verwachtte dat het spontane neuronale chatter in rust min of meer willekeurig en ongestructureerd zou zijn. In plaats daarvan zag hij structuur, organisatie, correlaties tussen groepen van hersengebieden waarvan bekend was dat ze samen functioneerden. Verschillende gebieden van het sensorimotorisch systeem van de hersenen fluctueerden langzaam en synchroon bij afwezigheid van een expliciete taak. Het was de eerste stap naar de studie van “rust-staat connectiviteit,” een aanpak die belooft om onderzoekers te helpen de functionele organisatie van zowel de gezonde en abnormale hersenen te bestuderen, met name bij kinderen en anderen die uitdagende cognitieve taken niet kunnen voltooien. (Zie perspectief blz. 14105.)
Biswal ‘ s paper uit 1995, dat nu wordt erkend als een rudimentair fMRI-onderzoek in rusttoestand, kreeg aanvankelijk weinig aandacht (1). Maar in 2001, neurowetenschapper Marcus Raichle en zijn collega ‘ s aan de Washington University in St. Louis leidde tot brede interesse in de aanpak toen ze een voorheen onbekend hersennetwerk beschreven dat een sleutelrol leek te spelen in een baseline-of standaardmodus van de Hersenen (2). In tegenstelling tot de sensorimotorische en verscheidene andere hersenennetwerken, die aanvankelijk door hun activering tijdens taken werden geà dentificeerd, toonde dit mysterienetwerk hoge basislijnactiviteit die eigenlijk verminderde wanneer de proefpersonen in een verscheidenheid van cognitieve taken betrokken waren.
” Het zei iets belangrijks over de voortdurende activiteit van de hersenen, en het feit dat het niet gewoon zit te wachten tot iemand in een witte jas langs komt en je vertelt wat je moet doen,” zegt Raichle.geïntrigeerd door wat de hersenen zouden kunnen doen tijdens zogenaamd inactieve periodes, begonnen Raichle en anderen dit zogenaamde “default mode network” te verkennen, dat betrokken leek te zijn bij cognitieve processen op hoog niveau, zoals zelfbewustzijn en geheugen. Michael Greicius, een neurowetenschapper op het gebied van gedrag aan de Stanford University in Californië, volgde Raichle ‘ s werk al snel door aan te tonen dat in rust, de individuele componenten van het standaardmodus netwerk van de hersenen gecorreleerde oscillaties vertonen, net zoals Biswal had gezien voor het sensorimotor netwerk (3).”die serie papers verhoogde het profiel van het onderzoek,” zegt Biswal, nu professor aan het New Jersey Institute of Technology in Newark. De bevindingen stelden voor dat netwerken van hersengebieden die samen tijdens taken activeren of deactiveren handtekeningen van hun connectiviteit handhaven die zelfs in rust kunnen worden ontdekt en bestudeerd. Mogelijk betekende het dat neurowetenschappers in staat zouden zijn om het basisschema van de hersenen in kaart te brengen zonder het gebruik van speciaal ontworpen taken.
het idee genereerde intense interesse, maar ook een gezonde dosis scepticisme van veel neurowetenschappers. “Het leek gewoon te mooi om waar te zijn, en te gemakkelijk”, zegt Greicius. “Mensen begonnen zich af te vragen of het echt neuraal kon zijn.”
veel onderzoekers vroegen zich aanvankelijk af of de ritmische, gesynchroniseerde fluctuaties die werden waargenomen tijdens de rusttoestand artefacten van andere lichaamsfuncties konden zijn, zoals ademhaling of hartslagen. Maar die twijfels geleidelijk vervaagd als meer studies herhaald en uitgebreid op de vroege bevindingen. Het onderzoek toonde aan dat de gecorreleerde activiteit langs structurele netwerken van zenuwvezels in de hersenen liep, en dat het chirurgisch verbreken van verbindingen tussen gebieden de activiteit van het rusttoestand netwerk kon verstoren, allen die suggereren dat de correlaties een echt en fundamenteel aspect van neuronale communicatie weerspiegelden (4⇓-6). De precieze functie van het netwerk van de standaardmodus blijft een kwestie van debat, maar de component hersengebieden zijn betrokken bij processen als zelfreferentieel denken, emotionele verwerking en herinneringen oproepen.
naast de sensorimotorische en standaardmodusnetwerken zijn nu veel andere hersennetwerken in rust waargenomen, waaronder netwerken die betrokken zijn bij het zien, horen en geheugen (7). In elk van deze gevallen, dezelfde regio ‘ s die samen vuren tijdens taken lijken samen te neuriën in rust, het handhaven van een handtekening van hun functionele organisatie. De langzame, gesynchroniseerde oscillaties binnen elk netwerk—die onafhankelijk van elkaar zijn-zijn ook opmerkelijk robuust en houden aan, zelfs tijdens de slaap en onder narcose (8, 9).
In de afgelopen jaren is de acceptatie van de aanpak op gang gekomen. En in 2010, toen de NIH het Human Connectome Project lanceerde—een grootschalige, vijf jaar durende inspanning om de hersennetwerken van meer dan 1.000 mensen in kaart te brengen-selecteerde het agentschap fMRI in rusttoestand als een van de kerntechnieken voor het project. “Dat was een groot signaal uit het veld in het algemeen dat rust-state connectiviteit is klaar voor prime time,” zegt Greicius.
met fMRI in rusttoestand kunnen neurowetenschappers hersenactiviteit bestuderen bij jonge kinderen of patiënten die anders niet in staat zouden zijn om lange experimenten te voltooien of complexe cognitieve taken uit te voeren. En in tegenstelling tot task-based imaging, die meestal wijst op een enkele hersenen netwerk in verband met een bepaalde taak, rust-state fMRI stelt onderzoekers in staat om vele netwerken in een keer te observeren. De eenvoud van de procedure en de relatief korte duur ervan (vaak ongeveer 5-10 min in vergelijking met 30 min of meer voor veel op taak gebaseerde studies), heeft het ook gemakkelijker gemaakt voor onderzoekers om elkaars experimenten te repliceren en resultaten te vergelijken.
neurowetenschapper Wei Gao, van het Cedars-Sinai Medical Center in Los Angeles, is een van de onderzoekers die fMRI in rusttoestand gebruikt bij slapende zuigelingen om te bestuderen hoe hersennetwerken zich vormen en evolueren tijdens de ontwikkeling. Terwijl sommige circuits, zoals het sensorimotorische netwerk en het auditieve netwerk, bij de geboorte vrij goed ingeburgerd lijken, heeft Gao ontdekt dat andere netwerken, zoals het standaardmodusnetwerk, veel langzamer ontwikkeld zijn (10).
“op twee weken leeftijd is er geen standaard mode netwerk per se, alleen geïsoleerde hersengebieden,” zegt hij. Uit de resultaten van Gao blijkt dat de kernregio ‘ s van het netwerk gedurende het eerste jaar geleidelijk worden gesynchroniseerd, waarbij de verdere verfijningen ten minste tot de leeftijd van twee jaar worden voortgezet (10, 11). De functie van deze veranderingen is nog onduidelijk; maar Gao ’s bevindingen komen overeen met psychologische gegevens waaruit blijkt dat baby’ s doorgaans zelf-bewonderend en in verlegenheid gebracht gedrag initiëren tussen 14 en 20 maanden, en leren om hun eigen reflecties te herkennen tussen 20 en 24 maanden oud (12).
beeldvorming in rusttoestand kan ook nieuwe inzichten bieden in hoe de connectiviteit van de hersenen misgaat. Verstoring van de standaardmodus netwerk, bijvoorbeeld, is geassocieerd met de ziekte van Alzheimer, depressie, autisme, en schizofrenie (13). In het geval van autisme, hebben zowel op taak-gebaseerde als sommige het rusten-staat studies ook abnormale patronen “kunnen gebruiken het rusten-staat om jonge geitjes af te tasten en mensen met een waaier van capaciteiten is een groot ding voor het gebied klinisch geopenbaard.”- Lucina Uddinof connectiviteit in verschillende andere netwerken, waaronder die betrokken zijn bij werkgeheugen, taal, emotie verwerking, en sociale cognitie (14).”we zijn nog in de vroege fase van ontdekking”, zegt cognitieve neurowetenschapper Lucina Uddin, die autisme bij kinderen bestudeert aan de Universiteit van Miami in Florida. Met taak-gebaseerde beeldvorming die het gebied decennialang hebben gedomineerd, bestaat er een tekort aan gegevens van kinderen en mensen met ernstige autismesymptomen, die vaak een standaard psychologisch experiment in de scanner niet kunnen voltooien. “In staat zijn om rusttoestand te gebruiken om jonge kinderen en mensen met een scala aan vaardigheden te scannen is een geweldige zaak voor het veld klinisch,” zegt Uddin.
tot nu toe zijn fMRI-biomarkers voor het diagnosticeren van personen met autisme of neurodegeneratieve ziekten moeilijk te ontwikkelen gebleken. Maar wetenschappers hopen te gebruiken rust-state connectiviteit te helpen verbeteren behandelingen voor neuropsychiatrische patiënten die al zijn gediagnosticeerd met andere middelen.op de Harvard Medical School in Boston, Massachusetts, onderzoekt neuroloog Michael Fox de netwerken die betrokken zijn bij therapeutische hersenstimulatie, een reeks technieken die gebruikt worden om de ziekte van Parkinson, depressie en andere aandoeningen te behandelen. Onderzoekers hebben nog steeds slechts een vaag begrip van hoe deze technieken verlichten neurologische symptomen, en waarom bepaalde stimulatie plaatsen zijn het meest effectief.
” als je wilt proberen te begrijpen hoe hersenstimulatie een netwerk voortplant en beïnvloedt, moet je begrijpen hoe dat netwerk eruit ziet,” zegt Fox. Een recent onderzoek naar de connectiviteit in rusttoestand door zijn groep suggereert dat verschillende stimulatiesites die voor dezelfde aandoening werken vaak tot hetzelfde hersennetwerk behoren, terwijl ineffectieve sites niet met elkaar verbonden lijken te zijn (15). De bevinding, zegt Fox, suggereert dat in de toekomst, rust-state connectiviteitskaarten kunnen worden gebruikt om te voorspellen of bepaalde sites effectief zullen zijn bij een individuele patiënt, of om nieuwe kandidaat-sites te lokaliseren voor stimulatie.
toepassingen voor de verbinding in rusttoestand blijven uitbreiden. “Ik denk niet dat ik had verwacht dat er later zoveel interesse in dit werk zou zijn”, zegt Biswal.
Raichle en anderen waarderen de eenvoud en veelzijdigheid van de techniek. “Je kunt pasgeboren kinderen bestuderen en zien hoe ze zich ontwikkelen, en je kunt naar de andere kant van het spectrum springen en mensen bestuderen die ouder worden en niet goed presteren,” zegt hij. “Het heeft echt de deur geopend om de functionele organisatie van de hersenen te bestuderen.”