Creierul uman este alcătuit din aproximativ 86 de miliarde de neuroni, legați între ei prin trilioane de conexiuni. Timp de decenii, oamenii de știință au crezut că trebuie să cartografiem în detaliu această conectivitate complexă pentru a înțelege cum apar modelele structurate de activitate care ne definesc gândurile, sentimentele și comportamentul, spun James Pang, cercetător în psihologie la Monash University, și Alex Fornito, profesor de psihologie la Turner Institute for Brain & Mental Health, Monash University.

Noul nostru studiu, publicat în revista Nature, contestă acest punct de vedere. Am descoperit că modelele de activitate din neuronii noștri sunt mai mult influențate de forma creierului – canelurile, contururile și pliurile sale – decât de interconexiunile sale complexe.

Punctul de vedere convențional este că anumite gânduri sau senzații specifice provoacă activitate în anumite părți ale creierului. Cu toate acestea, studiul nostru dezvăluie modele structurate de activitate în aproape întregul creier, în legătură cu gândurile și senzațiile în același mod în care o notă muzicală apare din vibrațiile care au loc pe întreaga lungime a unei coarde de vioară, nu doar pe un segment izolat.

Funcția urmează forma

Am descoperit această relație strânsă dintre formă și funcție prin examinarea modelelor naturale de excitație care pot fi susținute de anatomia creierului. În aceste modele, numite „moduri proprii”, diferite părți ale creierului sunt toate excitate la aceeași frecvență.

Luați în considerare notele muzicale interpretate de o coardă de vioară. Notele apar din modelele de vibrație preferate ale coardei care apar la frecvențe specifice, de rezonanță. Aceste modele preferate sunt modurile proprii ale coardei. Ele sunt determinate de proprietățile fizice ale coardei, cum ar fi lungimea, densitatea și tensiunea acesteia.

În mod similar, creierul are propriile sale modele preferate de excitație, care sunt determinate de proprietățile sale anatomice și fizice. Ne-am propus să identificăm care sunt proprietățile anatomice specifice ale creierului care influențează cel mai puternic aceste modele.
O poveste cu două creiere

Conform înțelepciunii convenționale, rețeaua complexă de conexiuni a creierului îi modelează în mod fundamental activitatea.

Această perspectivă vede creierul ca pe o colecție de regiuni discrete, fiecare specializată pentru o funcție specifică, cum ar fi vederea sau vorbirea. Aceste regiuni comunică prin intermediul unor fibre de interconectare numite axoni.

Un punct de vedere alternativ, întruchipat de o abordare a modelării activității cerebrale numită teoria câmpului neuronal, evită această divizare a creierului în zone discrete.

Acest punct de vedere se concentrează pe modul în care valurile de excitație celulară se deplasează continuu prin țesutul cerebral, asemenea undelor formate de picăturile de ploaie care cad într-un iaz. La fel cum forma iazului constrânge modelele posibile formate de valuri, modelele de activitate ondulatorie sunt influențate de forma tridimensională a creierului.

Comparând cele două perspective

Pentru a compara cele două viziuni ale creierului, am testat cât de ușor pot explica mai mult de 10.000 de hărți diferite ale activității cerebrale viziunea convențională, discretă, și cea continuă, bazată pe unde. Hărțile de activitate au fost obținute din mii de experimente de imagistică prin rezonanță magnetică funcțională (fMRI) în timp ce oamenii efectuau o gamă largă de sarcini cognitive, emoționale, senzoriale și motorii.

Am încercat să descriem fiecare hartă de activitate folosind moduri proprii bazate pe conectivitatea creierului și moduri proprii bazate pe forma creierului. Am constatat că modurile proprii ale formei creierului – și nu conectivitatea – oferă cea mai precisă descriere a acestor modele de activare diferite.

Undele cerebrale și aisbergurile

Am folosit simulări pe calculator pentru a confirma faptul că legătura strânsă dintre creierul
forma și funcția creierului este determinată de o activitate ondulatorie care se propagă în tot creierul.

Simulările s-au bazat pe un model simplu de valuri care este utilizat pe scară largă pentru a studia alte fenomene fizice, cum ar fi cutremurele și curenții oceanici. Modelul folosește doar forma creierului pentru a constrânge modul în care undele evoluează în timp și spațiu.

În ciuda simplității sale, acest model a explicat activitatea cerebrală mai bine decât un model mai sofisticat, de ultimă generație, care încearcă să surprindă detaliile fiziologice cheie ale activității neuronale și modelul complex de conectivitate dintre diferitele regiuni ale creierului.

Am constatat, de asemenea, că majoritatea celor 10.000 de hărți cerebrale diferite pe care le-am studiat erau asociate cu modele de activitate care acoperă aproape întregul creier. Acest rezultat contestă din nou înțelepciunea convențională conform căreia activitatea în timpul sarcinilor are loc în regiuni discrete și izolate ale creierului. De fapt, acesta indică faptul că abordările tradiționale de cartografiere a creierului pot dezvălui doar vârful icebergului atunci când vine vorba de înțelegerea modului în care funcționează creierul.

Împreună, descoperirile noastre sugerează că modelele actuale ale funcției cerebrale trebuie actualizate. În loc să ne concentrăm doar pe modul în care semnalele trec între regiuni discrete, ar trebui să investigăm, de asemenea, modul în care undele de excitație călătoresc prin creier.

Cu alte cuvinte, undele dintr-un iaz pot fi o analogie mai potrivită pentru funcția cerebrală la scară largă decât o rețea de telecomunicații.

O nouă abordare a cartografierii creierului

Abordarea noastră se bazează pe secole de muncă în fizică și inginerie. În aceste domenii, funcția unui sistem este înțeleasă în raport cu constrângerile impuse de structura sa, așa cum este întruchipată de modurile proprii ale sistemului.

Această abordare nu a fost utilizată în mod tradițional în neuroștiințe. În schimb, metodele tipice de cartografiere a creierului se bazează pe statistici complexe pentru a cuantifica activitatea cerebrală, fără nicio referire la baza fizică și anatomică care stă la baza acestor modele.

Utilizarea modurilor proprii oferă o modalitate de a utiliza principiile fizice pentru a înțelege modul în care diverse modele de activitate rezultă din anatomia creierului.

Descoperirea noastră oferă, de asemenea, beneficii practice imediate, deoarece modurile proprii ale formei creierului sunt mult mai simplu de cuantificat decât cele ale conectivității creierului.

Această nouă abordare deschide posibilități pentru studierea modului în care forma creierului afectează funcția prin evoluție, dezvoltare și îmbătrânire, precum și în cazul bolilor cerebrale.