Сопоставляя активность мозга в трех измерениях, исследователи из Медицинского центра Университета Вандербильта получили более подробную картину того, как мозг меняется с возрастом.
Их результаты , описанные в выпуске журнала Science Advances от 26 января , могут помочь улучшить понимание, раннюю диагностику и лечение болезни Альцгеймера, биполярного расстройства и других нарушений нормальной функции мозга.
Половина человеческого мозга состоит из серого вещества — нервных клеток , которые обрабатывают ощущения, контролируют произвольные движения и обеспечивают речь, обучение и познание. Другая половина — это белое вещество, аксоны, которые соединяют области серого вещества друг с другом и проецируются на остальную часть тела.
В области функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) головного мозга белое вещество исторически было недостаточно изучено, отчасти потому, что в нем легче обнаружить функциональные сигналы от серого вещества.
Недавно ученые VUMC обнаружили, что они могут надежно разделять и обнаруживать сигналы белого вещества, открывая дверь к лучшему пониманию другой, ранее игнорируемой половины мозга.
Теперь они вывели исследования на новый уровень. С помощью сложной серии математических формул первый автор статьи, доктор философии Чжунлян Цзу, предложил метод одновременного отображения того, как области серого вещества «общаются друг с другом» через соединения белого вещества.
«Это серьезное расширение использования визуализации мозга для изучения сетей мозга, но впервые с привлечением белого вещества», — сказал Джон Гор, доктор философии, директор Института визуализации Университета Вандербильта и автор-корреспондент статьи. .
Чжунлян Цзу, доктор философии (слева), и Джон Гор, доктор философии, возглавляют работу по картированию мозговых сетей в трех измерениях. Фото: Эрин О. Смит.
Основной метод изучения активности мозга . фМРТ измеряет изменения сигналов, зависящих от уровня оксигенации крови (ЖИРНЫЙ шрифт), которые в сером веществе отражают увеличение кровотока (и кислорода) в ответ на повышенную активность нейронов.
Хотя ЖИРНЫЕ сигналы в белом веществе менее понятны, становится ясно, что белое вещество не является пассивной тканью, которая просто соединяет области серого вещества.
Белое вещество «играет ключевую роль в процессах обучения человека», утверждают ученые VUMC в своей статье. Изменения в микроструктуре белого вещества «изменяют точность передачи нервных сигналов и, следовательно, функцию мозга».
Предыдущие исследования определили функциональную связь между двумя областями серого вещества путем корреляции их ЖИРНЫХ сигналов.
Как описано в текущей статье, Зу, доцент кафедры радиологии и радиологических наук и биомедицинской инженерии, разработал «тройную корреляционную структуру», которая включает сигналы белого вещества в изучение путей функциональной связи.
Используя фМРТ-изображения мозга 490 человек из общедоступных баз данных и применив многовариантные статистические методы, Зу, Гор и их коллеги смогли определить, что волокна белого вещества образуют множественные и сложные связи серого вещества.
«Волокно белого вещества может переносить сигналы от нескольких потенциальных входов в разные области серого вещества», — объяснил Гор. «В то же время любая пара областей серого вещества может взаимодействовать множеством разных путей (белого вещества)».
Математические уравнения Зу подсчитали, насколько каждая пара серого вещества способствует передаче сигнала через одно волокно белого вещества и в то же время насколько каждая пара использует разные волокна. «Это действительно важный шаг», — сказал Гор.
Включение сигналов белого вещества обеспечивает, как следует из названия статьи, «недостающее третье измерение» для понимания функциональных связей между различными областями мозга.
Изучая снимки мозга разных возрастных групп, исследователи обнаружили, что общая связность в частях мозга снижается с возрастом, в то время как активация мозга увеличивается в лобной коре, которая участвует в высших когнитивных функциях.
Этот сдвиг, возможно, призван компенсировать спад в других областях, отметили они.
В настоящее время исследователи изучают функциональные последствия сосудистых изменений в белом веществе, которые связаны с заболеваниями головного мозга, такими как болезнь Альцгеймера.
По словам Гора , в будущем измерение изменений в функциональных связях между областями мозга может служить биомаркером — способом мониторинга прогрессирования заболеваний, влияющих на белое вещество , и реакции на лечение.
