brain spiral
© Xu et al., Nature Human Behaviour, 2023Spirale moždane aktivnosti
Ljudski mozak ima mnogo slojeva. Od njegove naborane vanjštine do najmračnijih dubina, znanstvenici ih sve pokušavaju razumjeti. Ali u usavršavanju zamršenog neuronskog sklopa mozga, čini se da su previdjeli obrasce aktivnosti koji se kovitlaju na površini.

Tim fizičara fluida sa Sveučilišta u Sydneyu u Australiji i Sveučilišta Fudan u Kini otkrio je moždane signale koji se mreškaju preko najudaljenijeg sloja neuralnog tkiva mozga, moždane kore, na skeniranju mozgova 100 mladih odraslih osoba. Signali prirodno raspoređeni kao spirale, poput vrtloga u kadi s odvodom vode ili vrtloga turbulentnog zraka.

"Stjecanje uvida u to kako su spirale povezane s kognitivnom obradom moglo bi značajno poboljšati naše razumijevanje dinamike i funkcija mozga", kaže stariji autor Pulin Gong, fizičar sa Sveučilišta u Sydneyu.

Korteks je naborani vanjski sloj tkiva gustog neurona koji se savija u dvije hemisfere našeg mozga, odgovorne za računanje složenih kognitivnih funkcija kao što su jezik i pohranjivanje sjećanja.

Neuroznanstvenici su se većinom usredotočili na mapiranje aktivnosti mozga odozdo prema gore kako bi razumjeli unutarnji rad regija poput korteksa: slikanje ćelija kako bi se utvrdilo kako komuniciraju kao mreže koje potiču njihovu funkciju.

U uzbudljivom zaokretu, tim je analizirao podatke snimanja mozga prikupljene u sklopu projekta Human Connectome koristeći metode koje su najpoznatije fizičarima fluida koji proučavaju složene valne obrasce u turbulentnim tokovima.

Funkcionalna MRI skeniranja proizvode slikovne podatke koji pokazuju kada i gdje se mozak 'zasvijetli' u naletu aktivnosti, preplavljen krvlju bogatom kisikom. Spiralni obrasci identificirani u podacima nalikuju kaleidoskopskim valovima ili, pojednostavljeni u usmjerene vrtloge, kružnim linijama pritiska na vremenskoj karti.


Komentar: Doista, i čak pomalo poput elektromagnetske aktivnosti viđene u sunčevim pjegama: Iznenađujuće sličnosti između ljudskog mozga i svemira



"Ovi spiralni uzorci pokazuju zamršenu i složenu dinamiku, krećući se po površini mozga dok rotiraju oko središnjih točaka poznatih kao fazne singularnosti", objašnjava Gong.

"Slično kao što vrtlozi djeluju u turbulencijama, spirale su uključene u zamršene interakcije, igrajući ključnu ulogu u organiziranju složenih aktivnosti mozga", hipotezira on.

Ritmički, spiralni valovi već su otkriveni u neuralnim krugovima, krećući se kroz lokalne regije mozga koje upravljaju senzornim inputima kao što su vizualni, slušni i somatosenzorni korteks.

Ovi putujući valovi dovoljno su intrigantni na ćelijskoj razini, pogotovo kada uzmete u obzir kako su turbulentni vrtlozi također primijećeni drugdje u tijelu i prirodi: u suspenzijama plivajućih bakterija, biokemijskoj signalizaciji srca i u membranama živih ćelija.
brain spiral
© Xu et al., Nature Human Behaviour, 2023Skica koja prikazuje spirale moždane aktivnosti u smjeru kazaljke na satu i obrnuto
Ali kako se valovi poput vrtloga mogu materijalizirati u moždanoj kori kao cjelini do sada nije istraženo, ostavljajući prazninu u razumijevanju kako bi funkcije mozga u svakoj od regija mogle biti povezane.

Čini se da spiralni valovi obuhvaćaju višestruke mreže međusobno povezanih ćelija i bili su smješteni na preciznim anatomskim lokacijama, što sugerira da bi mogli igrati određenu ulogu u koordinaciji aktivnosti mozga.

Ova radna teorija ispitana je dodatnim analizama, otkrivajući da su moždane spirale promijenile smjer kako bi regulisale aktivnost mozga tijekom obrade jezika i zadataka radne memorije kao što su slušanje priča i rješavanje matematičkih zadataka.

"Jedna ključna karakteristika ovih moždanih spirala je da se često pojavljuju na granicama koje razdvajaju različite funkcionalne mreže u mozgu," objašnjava studentica fizike Sveučilišta u Sydneyju Yiben Xu.

Na tim lokacijama, istraživači misle da rotirajuće spirale mogu djelovati kao vrata, dopuštajući da aktivnost mozga teče u drugu regiju kada su vrtnje suprotne, ili kao zid, blokirajući ih kada se vrte u istom smjeru.

"Kroz njihovo rotacijsko kretanje, one učinkovito koordiniraju tijek aktivnosti između tih mreža", predlaže Xu.

Nalazi odgovaraju alternativnoj teoriji o tome kako složene moždane funkcije proizlaze iz aktivnosti pojedinačnih stanica, koje pucaju.Teorija sugerira da su valoviti obrasci moždane aktivnosti isklesani oblikom samog mozga - naborima, utorima i konturama - a ne njegovim međusobnim vezama.

Neurobiolog Kentaroh Takagaki sa Sveučilišta Tokushima u Japanu, koji nije bio uključen u rad, kaže da rezultati Gonga i njegovih kolega također "predstavljaju snažan kontrapunkt" stupnoj hipotezi mozga, koja opisuje kako je korteks organiziran u stupove neurona koji obrađuju informacije u blokovima.

Međutim, fMRI snimke korištene u studiji uhvatile su samo spore valove moždane aktivnosti, pa je potrebno dodatno istraživanje kako bi se vidjelo pojavljuju li se slični obrasci u bržim oscilacijama moždanih valova i na skeniranjima veće rezolucije.

"Razmatranjem misterija aktivnosti mozga i otkrivanjem mehanizama koji upravljaju njegovom koordinacijom, približavamo se otključavanju punog potencijala razumijevanja kognicije i funkcije mozga", kaže Gong .