i de tidiga dagarna av funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) analyserade forskare mestadels hur hjärnområden svarade på en stimulans, oavsett om det var ett ljus, ett ljud eller någon form av kognitiv uppgift. Men som doktorand vid Medical College of Wisconsin i Milwaukee hade Bharat Biswal en ovanlig begäran från sina fMRI-testpersoner: klättra in i skannern och gör, ja, ingenting.
standardlägesnätverket, som visas här i vilande tillstånd fMRI-skanningar (övre), inkluderar den bakre cingulära cortexen, hippocampus och den mediala prefrontala cortexen. (Lägre) Diffusion tensor imaging, en MR-teknik som belyser hjärnans vita materia, avslöjar nervfibrer som förbinder dessa hjärnregioner (bakre cingulate cortex i rött; medial prefrontal cortex i gult; hippocampus i grönt och rosa). Anpassad från ref. 5, med tillstånd från Oxford University Press.
Biswal förväntade sig att den spontana neuronala chatten i vila skulle vara mer eller mindre slumpmässig och ostrukturerad. Istället såg han struktur, organisation, korrelationer mellan grupper av hjärnregioner som var kända för att fungera tillsammans. Olika regioner i hjärnans sensorimotoriska system fluktuerade långsamt och synkront i avsaknad av någon uttrycklig uppgift. Det var det första steget mot studien av ”vilotillstånd”, ett tillvägagångssätt som lovar att hjälpa forskare att studera den funktionella organisationen av både den friska och onormala hjärnan, särskilt hos barn och andra som inte kan slutföra utmanande kognitiva uppgifter. (Se perspektiv sidan 14105.)
Biswals 1995-papper, som nu erkänns som en seminal vila-state fMRI-studie, fick lite uppmärksamhet först (1). Men 2001, neuroscientist Marcus Raichle och hans kollegor vid Washington University i St. Louis väckte stort intresse för tillvägagångssättet när de beskrev ett tidigare okänt hjärnnätverk som tycktes spela en nyckelroll i en baslinje eller standardläge i hjärnan (2). Till skillnad från sensorimotoriska och flera andra hjärnnätverk, som ursprungligen identifierades genom deras aktivering under uppgifter, visade detta mysterienätverk hög baslinjeaktivitet som faktiskt minskade när ämnen engagerade sig i en mängd olika kognitiva uppgifter.
”det sa något viktigt om hjärnans pågående aktivitet och det faktum att det inte bara sitter där och väntar på att någon i en vit kappa ska komma och berätta vad du ska göra”, säger Raichle.fascinerad av vad hjärnan kan göra under förmodligen inaktiva perioder började Raichle och andra utforska detta så kallade ”standardläge nätverk”, som tycktes vara involverat i kognitiva processer på hög nivå, såsom självmedvetenhet och minne. Michael Greicius, en beteende neuroscientist vid Stanford University i Kalifornien, följde snart på Raichles arbete genom att visa att i vila visar de enskilda komponenterna i hjärnans standardläge nätverk korrelerade svängningar, precis som Biswal hade sett för sensorimotoriskt nätverk (3).
”den serien av papper ökade verkligen forskningsprofilen”, säger Biswal, nu professor vid New Jersey Institute of Technology i Newark. Resultaten föreslog att nätverk av hjärnregioner som aktiverar eller inaktiverar tillsammans under uppgifter upprätthåller signaturer av deras anslutning som kan upptäckas och studeras även i vila. Potentiellt innebar det att neurovetenskapsmän skulle kunna kartlägga hjärnans grundläggande kopplingsschema utan användning av specialdesignade uppgifter.
tanken genererade intensivt intresse, men också en hälsosam dos skepsis från många neurovetenskapsmän. ”Det verkade bara för bra för att vara sant och för lätt”, säger Greicius. ”Folk började undra om det verkligen kunde vara neuralt.”
många forskare ifrågasatte ursprungligen om de rytmiska, synkroniserade fluktuationerna som observerades under vilotillståndet kunde vara artefakter av andra kroppsfunktioner, såsom andning eller hjärtslag. Men dessa tvivel bleknade gradvis när fler studier replikerade och utvidgades på de tidiga resultaten. Forskning visade att den korrelerade aktiviteten sprang längs strukturella nätverk av nervfibrer i hjärnan och att kirurgiskt avskiljande av förbindelser mellan områden kunde störa vilostatsnätverksaktivitet, vilket tyder på att korrelationerna återspeglade en äkta och grundläggande aspekt av neuronal kommunikation (4 GHz -6). Den exakta funktionen för standardlägenätverket är fortfarande en fråga om debatt, men dess komponenthjärnregioner är involverade i sådana processer som självreferenstänkande, emotionell bearbetning och återkallandeminnen.
förutom de sensorimotoriska och standardlägena nätverk har många andra hjärnnätverk nu observerats i vila, inklusive de som är involverade i syn, hörsel och minne (7). I vart och ett av dessa fall verkar samma regioner som brinner tillsammans under uppgifter brumma tillsammans i vila och upprätthålla en signatur av deras funktionella organisation. De långsamma, synkroniserade svängningarna inom varje nätverk – som är oberoende av varandra—är också anmärkningsvärt robusta, kvarstår även under sömn och under anestesi (8, 9).
under de senaste åren har acceptansen av tillvägagångssättet tagit fart. Och i 2010, när NIH lanserade Human Connectome Project-en storskalig, femårig ansträngning för att kartlägga hjärnanätverk av mer än 1,000-personer—byrån valde vila-state fMRI som en av kärnteknikerna för projektet. ”Det var en stor signal från fältet i stort att viloläge är redo för prime time”, säger Greicius.
med vilotillstånd fMRI kan neurovetenskapsmän studera hjärnaktivitet hos små barn eller patienter som annars inte skulle kunna slutföra långa experiment eller utföra komplexa kognitiva uppgifter. Och till skillnad från uppgiftsbaserad bildbehandling, som vanligtvis belyser ett enda hjärnnätverk som är associerat med en viss uppgift, tillåter vilande tillstånd fMRI forskare att observera många nätverk samtidigt. Procedurens enkelhet och dess relativt korta varaktighet (tar ofta cirka 5-10 minuter jämfört med 30 minuter eller mer för många uppgiftsbaserade studier) har också gjort det lättare för forskare att replikera varandras experiment och jämföra resultat.Neuroscientist Wei Gao, vid Cedars-Sinai Medical Center i Los Angeles, är en av flera utredare som använder vilande tillstånd fMRI hos sovande spädbarn för att studera hur hjärnans nätverk bildas och utvecklas under utveckling. Medan vissa kretsar, såsom det sensorimotoriska nätverket och det auditiva nätverket, verkar ganska väletablerade vid födseln, har Gao funnit att andra nätverk, såsom standardlägesnätverket, är mycket långsammare att utveckla (10).
”vid två veckors ålder finns det inte ett standardläge nätverk i sig, bara isolerade hjärnregioner”, säger han. Gaos resultat visar att kärnregioner i nätverket gradvis synkroniseras under det första året, med ytterligare förbättringar som fortsätter åtminstone fram till två års ålder (10, 11). Funktionen av dessa förändringar är fortfarande oklar; men Gaos resultat stämmer överens med psykologiska data som visar att barn vanligtvis initierar självbeundrande och generade beteenden mellan 14 och 20 månader och lär sig att känna igen sina egna reflektioner mellan 20 och 24 månaders ålder (12).
Vila-State imaging kan också ge nya insikter i hur hjärnans anslutning går fel. Störning av standardlägenätverket har till exempel associerats med Alzheimers sjukdom, depression, autism och schizofreni (13). När det gäller autism, både uppgiftsbaserade och vissa vilostatsstudier har också avslöjat onormala mönster ” att kunna använda vilotillstånd för att skanna unga barn och personer med en rad förmågor är en bra sak för fältet kliniskt.”- Lucina Uddinof-anslutning i flera andra nätverk, inklusive de som är involverade i arbetsminne, språk, känslighetsbehandling och social kognition (14).
”Vi är fortfarande i de tidiga faserna av upptäckten”, säger kognitiv neurovetenskaplig Lucina Uddin, som studerar autism hos barn vid University of Miami i Florida. Med uppgiftsbaserad bildbehandling som dominerat fältet i årtionden finns det en brist på data från barn och personer med allvarliga autismsymtom, som ofta inte kan slutföra ett vanligt psykologiskt experiment i skannern. ”Att kunna använda vilotillstånd för att skanna unga barn och personer med en rad förmågor är en bra sak för fältet kliniskt”, säger Uddin.
hittills har fMRI-biomarkörer för diagnos av individer med autism eller neurodegenerativa sjukdomar visat sig vara svåra att utveckla. Men forskare hoppas kunna använda vilotillståndsanslutning för att förbättra behandlingarna för neuropsykiatriska patienter som redan har diagnostiserats på andra sätt.vid Harvard Medical School i Boston, Massachusetts, undersöker neurologen Michael Fox de nätverk som är involverade i terapeutisk hjärnstimulering, en uppsättning tekniker som används för att behandla Parkinsons sjukdom, depression och andra tillstånd. Forskare har fortfarande bara en vag förståelse för hur dessa tekniker lindrar neurologiska symtom och varför vissa stimuleringsställen är mest effektiva.
”Om du vill försöka förstå hur hjärnstimulering sprider sig och påverkar ett nätverk, måste du förstå hur det nätverket ser ut”, säger Fox. En nyligen vilande anslutningsstudie av hans grupp tyder på att olika stimuleringsställen som arbetar för samma sjukdom ofta tillhör samma hjärnnätverk, medan ineffektiva platser verkar inte vara anslutna (15). Upptäckten, säger Fox, föreslår att i framtiden kan vilotillståndskartor användas för att förutsäga om vissa webbplatser kommer att vara effektiva hos en enskild patient eller för att hitta nya kandidatplatser för stimulering.
applikationer för vilotillståndsanslutning fortsätter att expandera. ”Jag tror inte att jag hade förväntat mig att det senare skulle vara så mycket intresse för detta arbete”, säger Biswal.
Raichle och andra krediterar teknikens enkelhet och mångsidighet. ”Du kan studera nyfödda barn och se dem utvecklas, och du kan hoppa till andra änden av spektrumet och studera människor som åldras och inte presterar bra”, säger han. ”Det har verkligen öppnat dörren för att studera hjärnans funktionella organisation.”