Nova mapa mozga: Moždana aktivnost otkriva novi način na koji je ponašanje organizovano

Te mape su snažno uticale na način na koji se proučavaju mišljenje, donošenje odluka i samokontrola, naročito u prefrontalnom korteksu. Međutim, novo istraživanje sugeriše da takve mape možda ne prikazuju celokupnu sliku. Umesto da prate vidljive granice tkiva, kontrolni moždani krugovi izgleda da su organizovani prema tome kako neuroni zajedno „pucaju“, odnosno kako im se aktivnost usklađuje tokom vremena. Drugim rečima, presudno je kako se ćelije ponašaju, a ne samo gde se nalaze.

Snimajući aktivnost desetina hiljada neurona kod budnih miševa, istraživači su otkrili da se moždane funkcije i ponašanja poput planiranja i donošenja odluka grupišu prema zajedničkim obrascima aktivnosti.

Studiju je predvodila Mari Karlén sa Karolinskog instituta, a rezultati pokazuju da je prefrontalni korteks organizovan prema neuronskoj aktivnosti, a ne prema tradicionalnim anatomskim oznakama – što menja dosadašnje shvatanje najvažnije kontrolne regije u mozgu.

Mapiranje mozga kroz ponašanje

Klasični atlasi mozga nastali su proučavanjem tankih preseka moždanog tkiva, obojenih tako da se različiti slojevi jasno razlikuju pod svetlom. Naučnici su te obrasce nazvali citoarhitektura – raspored ćelija vidljiv na obojenim preparatima i koristili ih za imenovanje moždanih regija.

Jedan pregled iz 2018. godine pokazao je koliko su Brodmanove mape oblikovale savremena istraživanja više od sto godina. Pošto granice na tim mapama deluju oštro i jasno, lako se usvojila ideja da svaka regija obavlja tačno određenu funkciju, iako se ponašanje u stvarnosti oslanja na šire mreže.

Snimanje moždane aktivnosti „uživo“

Tim Mari Karlén koristio je sićušne elektrode za snimanje pojedinačnih neurona, koji međusobno komuniciraju kratkim električnim signalima.

Istraživači su se fokusirali na spontanu aktivnost, impulsiranje koje se odvija bez očiglednog spoljnog podražaja – jer ona pokazuje kako lokalni neuronski krugovi prirodno funkcionišu.

U vremenskim prozorima od tri sekunde, neki neuroni su se aktivirali sporo i ravnomerno, dok su drugi „pucali“ brzo i u naletima.

Povezujući te obrasce sa tačnim položajem svakog neurona, naučnici su mogli da povuku granice zasnovane na funkciji, a ne na izgledu tkiva.

Moždani poredak koji usmerava ponašanje

Klasične teorije povezivale su prefrontalni korteks sa kontrolom ponašanja usmerenog ka cilju, stavljajući ga visoko u hijerarhiji obrade informacija u mozgu.

Kasnija istraživanja iz 2019. godine povezala su kortikalnu hijerarhiju – rangiranje nivoa protoka informacija – sa načinom na koji se kora velikog mozga i talamus povezuju i razmenjuju signale.

Novi rezultati pokazuju da se obrasci aktivnosti bolje poklapaju sa tom hijerarhijom nego sa tradicionalnim anatomskim granicama. To ukazuje na to da moždano ožičenje može snažno oblikovati ponašanje neurona, čak i kada okolno tkivo izgleda isto pod mikroskopom.

Spora i stabilna aktivnost nekih neurona

Jedan jasan obrazac posebno se izdvojio u višim nivoima prefrontalne hijerarhije: mnogi neuroni su se aktivirali sporim, stabilnim ritmom.

Ovakva aktivnost verovatno odražava povratne veze unutar lokalnih krugova, gde se signali kružno prenose kako bi se informacije zadržale i integrisale tokom vremena.

U prefrontalnom korteksu miša, sporo i ravnomerno impulsiranje obeležavalo je regije koje su visoko rangirane u njegovoj unutrašnjoj organizaciji.

Ako ovi neuroni pomažu u „zadržavanju“ informacija, poremećaji u tom ritmu mogli bi oslabiti planiranje i rasuđivanje pre nego što problemi postanu očigledni.

Brza aktivnost tokom donošenja odluka

Istovremeno, neuroni povezani sa donošenjem odluka u tim istim visoko rangiranim regijama ponašali su se sasvim drugačije.

Umesto stabilnog ritma, oni su se aktivirali brzo, što je pogodno za kodiranje izbora kroz promene u broju impulsa u milisekundama.

„Neki neuroni izgleda da su specijalizovani za integraciju tokova informacija, dok drugi imaju visoku spontanu aktivnost koja omogućava brzo i fleksibilno kodiranje informacija, na primer onih potrebnih za donošenje konkretne odluke“, rekla je Karlén.

Zajedno, ovi rezultati ukazuju na lokalnu specijalizaciju unutar prefrontalnog korteksa, gde različiti stilovi aktivnosti podržavaju različite kognitivne uloge, dok pojedinačni neuroni ostaju fleksibilni i prilagodljivi promenama zadataka.

Zašto mape mozga ne prate ponašanje

Tradicionalne oznake tretiraju prefrontalni korteks kao skup jasno imenovanih oblasti, a eksperimenti se često fokusiraju na jednu takvu regiju. Novi pristup deli prostor prema obrascima aktivnosti, što znači da jedna funkcionalna celina može obuhvatati dve „imenovane“ oblasti ili podeliti jednu na više delova.

U snimcima su odgovori na zvuk i signali izbora bili rasuti u „mrljastim“ zonama, što čini granice manje pouzdanim nego što se ranije mislilo.

U budućnosti će biti potrebni novi načini označavanja lokacija, jer će se u suprotnom male razlike između laboratorija stalno gomilati.

Tehnologija koja hvata neuronske detalje

Snimanje aktivnosti desetina hiljada ćelija zahtevalo je tehnologiju koja može da prati veliki broj tačaka istovremeno, bez ometanja ponašanja.

Ključni napredak predstavljaju Neuropixels sonde – silikonske elektrode sa stotinama mesta za snimanje, koje beleže neuronske impulse duž velikih delova moždanog tkiva. Računari zatim razdvajaju pomešane električne signale na pojedinačne neurone, a softver ih smešta u zajednički koordinatni sistem.

Zahvaljujući tome, laboratorije mogu da upoređuju mape aktivnosti između različitih regija mozga, vrsta, pa čak i modela bolesti.

Kontrola mozga i mentalni poremećaji

Mnogi mentalni poremećaji uključuju probleme sa planiranjem, kontrolom impulsa ili regulacijom emocija – funkcije koje se dugo povezuju sa prefrontalnim korteksom.

Velika analiza kod ljudi pokazala je da ovi poremećaji dele zajednička oštećenja u prefrontalnom korteksu, pri čemu se težina simptoma usko povezuje sa slabijom aktivnošću u krugovima zaduženim za kognitivnu kontrolu.

„S obzirom na to da su odstupanja u funkciji prefrontalnog korteksa povezana sa gotovo svim psihijatrijskim poremećajima, iznenađujuće je koliko malo zapravo znamo o tome kako ova regija funkcioniše“, rekla je Karlén.

Sve zajedno, ovi nalazi sugerišu da obrasci neuronske aktivnosti preciznije definišu funkcionalne granice u prefrontalnom korteksu nego sam izgled tkiva.

Uz ovakve mape zasnovane na aktivnosti, istraživači sada mogu da ispituju kako se specifični prefrontalni moduli menjaju pod uticajem stresa, lekova ili bolesti, uz jasnu vezu sa anatomijom.

Ipak, autori upozoravaju da se uvidi dobijeni na miševima ne mogu direktno preslikati na ljudske simptome, pa će pažljiva provera i prilagođavanje ostati neophodni.

Studija je objavljena u časopisu Nature Neuroscience.