بیش از 20 سال از تحقیق بر روی تصویربرداری عصبی با استفاده از تکنیک تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) می گذرد.
به گزارش تکناک، این تکنیک یک فناوری پرکاربرد برای ضبط ویدیوهای زنده از فعالیت مغز و الگوهای پیچیده این اندام، شناسایی کرده است.
این الگوها حتی در حالت استراحت و زمانی که کار خاصی انجام نمی‌شود، خود به خود شکل می‌گیرند و نه تنها در انسان، بلکه در سایر پستانداران، از جمله میمون‌ها و جوندگان نیز شناسایی شده‌اند.
با اینکه چنین الگوهای محیطی در فعال سازی مرتبط با مغز، به طور مداوم در مراکز تصویربرداری عصبی در سراسر جهان شناسایی شده است،اما ماهیت این همبستگی ها هرگز مشخص نشده است. نوام شمش، نویسنده ارشد مطالعه می گوید: ما هنوز به طور کامل درک نمی کنیم که مغز چگونه در فواصل طولانی ارتباط برقرار می کند. ما می دانیم که مناطق دور مغز، یک همبستگی سیگنالی را از خود نشان می دهند و در عملکرد مغز نقش دارند، اما ما هنوز موفق به درک کامل ماهیت آنها نشده ایم.
شمش تأکید می‌کند که: در این مطالعه، ما می‌خواستیم بفهمیم که در پس این همبستگی‌ها چه چیزی نهفته است و مکانیسم‌های درگیر را بررسی کنیم.
تعدادی از محققان می گویند که این الگوها را می‌توان با استفاده از امواج ایستاده که در ساختار مغز طنین‌انداز می‌شوند یعنی با امواجی مشابه با حالت‌های ارتعاش در آلات موسیقی، توضیح داد. اما شواهد تجربی کمی برای حمایت از این فرضیه، به دلیل وضوح زمانی ضعیف fMRI وجود داشت که تنها به یک یا دو تصویر در ثانیه می رسید. جوآنا کابرال، اولین نویسنده این مطالعه، می‌گوید: اگر بتوانیم متوجه شویم که الگوهای فیزیکی در نوسان هستند، این موضوع شواهدی را ارائه می دهد که از فرضیه رزونانس حمایت می کند.
بنابراین کاری که تیم تحقیقاتی انجام داد، تسریع در گرفتن تصویر بود و آنها کشف کردند که سیگنال‌ها در مناطق دوردست مغز در واقع با هم در یک زمان نوسان می‌کنند. این الگوهای نوسانی شبیه یک آنالوگ در آلات موسیقی هستند. کابرال می‌گوید: آنها شبیه طنین‌ها و پژواک‌های درون مغز هستند.
شمش می گوید: داده‌های ما نشان می‌دهد که الگوهای فیزیکی پیچیده، نتیجه حالت‌های در حال نوسان گذرا و مستقل هستند، درست مانند سازهای منفرد که با یکدیگر برای ایجاد یک قطعه پیچیده‌تر در یک ارکستر، فعالیت می کنند. حالت‌های متمایز، که هرکدام در مقیاس‌های زمانی مختلف و طول‌موج‌های مختلف به تصویر کلی کمک می‌کنند، می‌توانند با هم جمع شوند و الگوهای ماکروسکوپی پیچیده‌ای شبیه به آن‌هایی که به صورت تجربی مشاهده شده‌اند، ایجاد کنند. طبق دانش ما، این اولین باری است که فعالیت مغزی ثبت شده با روش fMRI به عنوان برهم نهی امواج ایستاده، بازسازی می شود.
بنابراین مطالعه جدید به شدت به نقش کلیدی این تشدید امواج در عملکرد مغز اشاره می‌کند. نویسندگان بر این باورند که این پدیده‌های طنین‌دار، ریشه فعالیت هماهنگ و منسجم مغز هستند که برای عملکرد طبیعی مغز به‌عنوان یک عامل کلی مورد نیاز است.
محققان حالت‌های رزودانس را در موش‌ها در حالت استراحت شناسایی کردند، به این معنی که این حیوانات تحت هیچ محرک خارجی خاصی قرار نگرفتند. در واقع، هیچ وظیفه‌ای لازم نبود، زیرا همانطور که قبلاً ذکر شد، حتی زمانی که ما (و پستانداران به طور کلی) هیچ کار خاصی انجام نمی‌دهیم، مغز ما به تولید الگوهای فعالیت خود به خودی ادامه می‌دهد که این مسئله می‌تواند توسط fMRI ثبت شود.
برای تجسم نوسانات، محققان با استفاده از یک اسکنر آزمایشی MRI فوق‌العاده قوی در آزمایشگاه شمش، فیلم‌هایی از این فعالیت گرفتند و آزمایش‌های فوق سریعی را انجام دادند که مدتی پیش توسط آن آزمایشگاه برای اهداف دیگر توسعه یافته بود.
کابرال می گوید: من و نوام در سال 2019 با هم آشنا شدیم و تصمیم گرفتیم تا ضبط‌هایی از فعالیت مغز را با حداکثر وضوح زمانی را در اسکنر 9.4 تسلا آزمایشگاه او ثبت کنیم. نوام آزمایش‌ها را طراحی کرد، فرانسیسکا فرناندس [سومین نویسنده مطالعه] آنها را انجام داد، و من تجزیه و تحلیل داده‌ها و تصویرسازی را انجام دادم. نوام توانست به وضوح زمانی 26 تصویر در ثانیه دست یابد بنابراین 16000 تصویر در اسکن 10 دقیقه ای (به جای 600 تصویر با وضوح معمول یک تصویر در ثانیه) به دست آورد.
کابرال می گوید: هنگامی که ما برای اولین بار ویدئوهای فعالیت مغزی ضبط شده را دیدیم، امواجی واضح مانند امواج اقیانوس در فعالیت مغز را مشاهده کردیم، که با الگوهای پیچیده در قشر مخطط مغز [ناحیه زیر قشری جلوی مغز] منتشر می‌شوند. ما متوجه شدیم که سیگنال ها را می توان با برهم نهی تعداد کمی از امواج ثابت ماکروسکوپی، یا حالت های رزونانس، که در زمان، نوسان می کنند، توصیف کرد. مشخص شد که هر موج ایستاده، با قله‌هایی که در ساختارهای قشری و زیر قشری مجزا توزیع شده‌اند و شبکه‌های عملکردی را تشکیل می‌دهند، مناطق گسترده‌ای از مغز را می‌پوشاند.
محققان در سه شرایط مختلف روی موش‌ها آزمایش کردند: آرام‌بخش، کم‌هوشی و بیهوشی عمیق. (در واقع، این حیوانات به آرامی در حالت استراحت قرار گرفتند تا از هر گونه آسیبی به آنها جلوگیری شود).کابرال اشاره کرد که: ساختار فیزیکی این امواج ثابت، در موش‌هایی که در شرایط مشابه اسکن شده بودند، بسیار سازگار بود.
شمش افزود: ما نشان دادیم که شبکه‌های عملکردی مغز، توسط پدیده‌های رزونانس هدایت می‌شوند. این موضوع همبستگی هایی را توضیح می دهد که در غیر این صورت هنگام تصویربرداری عادی مشاهده می شوند. فعل و انفعالات مغزی توسط یک جریان اطلاعاتی که نوسانی و تکراری است، اداره می شود.
حالات پاتولوژیک
همچنین محققان متوجه شدند که افزایش میزان بیهوشی، تعداد، فرکانس و مدت امواج ثابت تشدید کننده را کاهش می دهد. همانطور که قبلا ذکر شد، مطالعات قبلی نشان داده اند که الگوهای خاصی از فعال سازی مغز به طور مداوم در اختلالات هوشیاری تغییر می کنند. بنابراین، کابرال می‌گوید، این طرح آزمایشی در واقع برای تقلید از حالت‌های پاتولوژیک مختلف نیز بوده است.
او می گوید: به نظر می رسد شبکه های عملکردی در چندین اختلال عصبی و روانی، مختل شده اند. این محقق گمان می کند که اگر این موضوع در انسان تایید شود، نتایج آنها می‌تواند به استفاده از حالت‌های تشدید به عنوان نشانگرهای زیستی برای بیماری منجر شود.
شمش تأیید می‌کند که مطالعه آن ها یک «سرنخ» جدید در بررسی بیماری ها ارائه می‌کند. وی گفت: ما می دانیم که فعالیت مغزی به میزان بالایی در روند بیماری تأثیر می گذارد، اما نمی دانیم که این تاثیر چرا و چگونه انجام می شود. درک این مکانیسم در طولانی مدت می تواند به یک روش کاملاً جدید برای توصیف بیماری و اشاره به نوع درمانی که ممکن است لازم باشد، منجر شود.
محققین موافق هستند که برای تایید همه این نتایج و اینکه آیا این نتایج در انسان قابل تکرار هستند یا خیر، تحقیقات بیشتری لازم است. اما کابرال می‌گوید: وقتی ماهیت شبکه‌های کاربردی را بهتر درک کنیم، می‌توانیم استراتژی‌های آگاهانه‌ای برای تعدیل این الگوهای شبکه طراحی کنیم.
این دقیقاً موضوع پروژه جدید محققان با عنوان BRAINSTIM است که قرار است برای پیش‌بینی استراتژی‌های تحریکی برای تعدیل تعاملات بین نواحی مغز انجام شود.
