we wczesnych dniach funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) naukowcy głównie analizowali, w jaki sposób obszary mózgu reagowały na bodziec, czy to światło, hałas, czy jakieś zadanie poznawcze. Ale jako absolwent Medical College of Wisconsin w Milwaukee, Bharat Biswal miał nietypową prośbę swoich testerów fMRI: wejdź do skanera i nic nie rób.
sieć trybu domyślnego, pokazana tutaj w skanach fMRI w stanie spoczynku (Górna), obejmuje tylną korę obwodową, hipokamp i przyśrodkową korę przedczołową. (Dolny) obrazowanie Tensorowe dyfuzji, technika MRI, która podkreśla białą materię mózgu, ujawnia włókna nerwowe łączące te regiony mózgu (tylna kora cingulate na Czerwono; przyśrodkowa kora przedczołowa na Żółto; hipokamp na zielono i różowo). Zaadaptowane z ref. 5, za zgodą Oxford University Press.
Biswal oczekiwał, że spontaniczna rozmowa neuronalna w spoczynku będzie mniej lub bardziej przypadkowa i nieustrukturyzowana. Zamiast tego widział strukturę, organizację, korelacje między grupami regionów mózgu, które były znane ze wspólnego działania. Różne regiony układu czuciowo-ruchowego mózgu wahały się powoli i synchronicznie przy braku wyraźnego zadania. Był to pierwszy krok w kierunku badania „łączności w stanie spoczynku”, podejścia, które obiecuje pomóc naukowcom w badaniu funkcjonalnej organizacji zarówno zdrowego, jak i nieprawidłowego mózgu, szczególnie u dzieci i innych osób, które nie mogą wykonać trudnych zadań poznawczych. (Patrz: strona 14105.)
praca Biswala z 1995 r., która jest obecnie uznawana za przełomowe badanie fMRI w stanie spoczynku, na początku nie zwracała uwagi (1). Ale w 2001 roku neurobiolog Marcus Raichle i jego koledzy z Washington University w St. Louis wywołał powszechne zainteresowanie podejściem, opisując wcześniej nieznaną sieć mózgu, która wydawała się odgrywać kluczową rolę w podstawowym lub domyślnym trybie mózgu (2). W przeciwieństwie do sensorimotorycznych i kilku innych sieci mózgowych, które początkowo zidentyfikowano poprzez ich aktywację podczas zadań, ta tajemnicza sieć wykazywała wysoką aktywność wyjściową, która faktycznie zmniejszyła się, gdy testerzy zajmowali się różnymi zadaniami poznawczymi.
„mówi coś ważnego o ciągłej aktywności mózgu i o tym, że nie siedzi tam tylko czekając, aż ktoś w białym płaszczu przyjdzie i powie Ci, co masz robić”, mówi Raichle.
zaintrygowany tym, co mózg może robić podczas rzekomo nieaktywnych okresów, Raichle i inni zaczęli badać tak zwaną „sieć trybów domyślnych”, która wydawała się być zaangażowana w procesy poznawcze wysokiego poziomu, takie jak samoświadomość i pamięć. Michael Greicius, neurobiolog behawioralny na Uniwersytecie Stanforda w Kalifornii, wkrótce kontynuował prace Raichle ’ a, wykazując, że w spoczynku poszczególne składniki sieci trybu domyślnego mózgu wykazują skorelowane oscylacje, tak jak Biswal widział dla sieci sensorimotorowej (3).
„Ta seria artykułów naprawdę zwiększyła profil badań”, mówi Biswal, obecnie profesor w New Jersey Institute of Technology w Newark. Odkrycia sugerowały, że sieci regionów mózgu, które aktywują się lub dezaktywują razem podczas zadań, zachowują sygnatury ich łączności, które mogą być wykrywane i badane nawet w spoczynku. Potencjalnie oznaczało to, że neurolodzy byliby w stanie mapować podstawowy schemat połączeń mózgu bez użycia specjalnie zaprojektowanych zadań.
pomysł wzbudził duże zainteresowanie, ale również zdrową dawkę sceptycyzmu ze strony wielu neurobiologów. „Wydawało się to zbyt piękne, aby mogło być prawdziwe i zbyt łatwe”, mówi Greicius. „Ludzie zaczęli się zastanawiać, czy to naprawdę może być nerwowe.”
wielu badaczy początkowo kwestionowało, czy rytmiczne, zsynchronizowane fluktuacje obserwowane podczas stanu spoczynku mogą być artefaktami innych funkcji ciała, takich jak oddychanie lub bicie serca. Jednak wątpliwości te stopniowo zanikały, gdy kolejne badania powtórzyły się i rozszerzyły na wczesne odkrycia. Badania wykazały, że skorelowana aktywność przebiegała wzdłuż strukturalnych sieci włókien nerwowych w mózgu i że chirurgiczne zerwanie połączeń między obszarami może zakłócić aktywność sieci w stanie spoczynku, co sugeruje, że korelacje odzwierciedlały prawdziwy i podstawowy aspekt komunikacji neuronalnej (4⇓-6). Dokładna funkcja sieci trybu domyślnego pozostaje kwestią dyskusji, ale jej części składowe mózgu są zaangażowane w takie procesy, jak myślenie autotematyczne, przetwarzanie emocjonalne i przywoływanie wspomnień.
poza sieciami sensorimotorowymi i trybem domyślnym zaobserwowano wiele innych sieci mózgu w spoczynku, w tym sieci związane z widzeniem, słuchem i pamięcią (7). W każdym z tych przypadków te same regiony, które strzelają razem podczas zadań, wydają się nucić razem w spoczynku, zachowując podpis ich funkcjonalnej organizacji. Powolne, zsynchronizowane oscylacje w obrębie każdej sieci-które są niezależne od siebie-są również niezwykle wytrzymałe, utrzymujące się nawet podczas snu i w znieczuleniu (8, 9).
w ostatnich latach akceptacja tego podejścia nabrała tempa. W 2010 roku, kiedy NIH uruchomiła projekt Human Connectome—wielkoskalowy, pięcioletni projekt mapowania sieci mózgowych ponad 1000 osób-Agencja wybrała fMRI w stanie spoczynku jako jedną z podstawowych technik projektu. „To był duży sygnał z całego pola, że łączność w stanie spoczynku jest gotowa na czas prime”, mówi Greicius.
dzięki fMRI w stanie spoczynku neurolodzy mogą badać aktywność mózgu u małych dzieci lub pacjentów, którzy w przeciwnym razie nie byliby w stanie wykonać długich eksperymentów lub wykonać złożonych zadań poznawczych. W przeciwieństwie do obrazowania opartego na zadaniach, które zazwyczaj podkreśla pojedynczą sieć mózgu związaną z danym zadaniem, fMRI w stanie spoczynku pozwala badaczom obserwować wiele sieci naraz. Prostota procedury i jej stosunkowo krótki czas trwania (często trwa około 5-10 minut w porównaniu z 30 minut lub więcej w przypadku wielu badań opartych na zadaniach), ułatwiły również naukowcom powielanie wzajemnych eksperymentów i porównywanie wyników.
neurobiolog Wei Gao, z Cedars-Sinai Medical Center w Los Angeles, jest jednym z kilku badaczy stosujących fMRI w stanie spoczynku u śpiących niemowląt, aby zbadać, jak tworzą się sieci mózgowe i ewoluują podczas rozwoju. Podczas gdy niektóre obwody, takie jak sieć sensorimotorowa i sieć słuchowa, wydają się dość dobrze ugruntowane po urodzeniu, Gao odkrył, że inne sieci, takie jak sieć trybu domyślnego, są znacznie wolniejsze w rozwoju (10).
„w wieku dwóch tygodni nie ma sieci trybu domyślnego per se, tylko izolowane regiony mózgu”, mówi. Wyniki Gao pokazują, że główne regiony sieci stopniowo synchronizują się w ciągu pierwszego roku, a dodatkowe udoskonalenia trwają co najmniej do drugiego roku życia (10, 11). Funkcja tych zmian jest nadal niejasna; ale ustalenia Gao zgadzają się z danymi psychologicznymi pokazującymi, że dzieci zazwyczaj inicjują samozadowolenie i zakłopotane zachowania między 14 a 20 miesiącem życia i uczą się rozpoznawać własne refleksje między 20 a 24 miesiącem życia (12).
obrazowanie w stanie spoczynku może również dostarczyć nowych wglądów w sposób, w jaki łączność mózgu idzie nie tak. Zakłócenia sieci trybu domyślnego, na przykład, były związane z chorobą Alzheimera, depresją, autyzmem i schizofrenią (13). W przypadku autyzmu, zarówno oparte na zadaniach, jak i niektóre badania stanu spoczynkowego ujawniły również nieprawidłowe wzorce ” możliwość korzystania ze stanu spoczynkowego do skanowania małych dzieci i osób o różnych zdolnościach jest świetną rzeczą w dziedzinie klinicznie.”- Lucina Uddinof łączność w kilku innych sieciach, w tym tych związanych z pamięcią roboczą, językiem, przetwarzaniem emocji i poznaniem społecznym (14).
„jesteśmy jeszcze we wczesnych fazach odkrywania”, mówi neurobiolog poznawcza Lucina Uddin, która studiuje autyzm u dzieci na Uniwersytecie Miami na Florydzie. Ponieważ obrazowanie oparte na zadaniach zdominowało tę dziedzinę od dziesięcioleci, istnieje niedobór danych od dzieci i osób z poważnymi objawami autyzmu, które często nie mogą wykonać standardowego eksperymentu psychologicznego w skanerze. „Możliwość wykorzystania stanu spoczynku do skanowania małych dzieci i osób o różnych zdolnościach jest świetną rzeczą w dziedzinie klinicznej”, mówi Uddin.
do tej pory biomarkery fMRI do diagnozowania osób z autyzmem lub chorobami neurodegeneracyjnymi okazały się trudne do rozwinięcia. Ale naukowcy mają nadzieję wykorzystać łączność w stanie spoczynku, aby pomóc poprawić leczenie pacjentów neuropsychiatrycznych, którzy zostali już zdiagnozowani za pomocą innych środków.
w Harvard Medical School w Bostonie, Massachusetts, neurolog Michael Fox bada sieci zaangażowane w terapeutyczną stymulację mózgu, zestaw technik stosowanych w leczeniu choroby Parkinsona, depresji i innych schorzeń. Naukowcy wciąż mają tylko niejasne zrozumienie, w jaki sposób te techniki łagodzą objawy neurologiczne i dlaczego niektóre miejsca stymulacji są najbardziej skuteczne.
„Jeśli chcesz spróbować zrozumieć, jak stymulacja mózgu rozprzestrzenia się i wpływa na sieć, musisz zrozumieć, jak ta sieć wygląda”, mówi Fox. Niedawne badanie łączności w stanie spoczynku przeprowadzone przez jego grupę sugeruje, że różne miejsca stymulacji, które działają na to samo zaburzenie, często należą do tej samej sieci mózgu, podczas gdy nieskuteczne miejsca wydają się nie być połączone (15). Odkrycie, mówi Fox, sugeruje, że w przyszłości mapy łączności w stanie spoczynku mogą być wykorzystane do przewidywania, czy niektóre miejsca będą skuteczne u danego pacjenta, lub do lokalizowania nowych miejsc kandydujących do stymulacji.
aplikacje do łączności w stanie spoczynku nadal się rozwijają. „Myślę, że nie spodziewałem się, że później będzie tak duże zainteresowanie tą pracą”, mówi Biswal.
Raichle i inni doceniają prostotę i wszechstronność techniki. „Możesz badać nowonarodzone dzieci i obserwować ich rozwój, możesz przejść na drugi koniec spektrum i badać ludzi, którzy się starzeją i nie osiągają dobrych wyników”, mówi. „To naprawdę otworzyło drzwi do badania funkcjonalnej organizacji mózgu.”