Die Komplexität des menschlichen Gehirns-86 Milliarden Neuronen stark mit mehr als 100 Billionen Verbindungen-ermöglicht abstraktes Denken, Spracherwerb, fortschrittliches Denken und Problemlösung sowie die Fähigkeit zur Kreativität und sozialen Interaktion. Das Verständnis, wie Unterschiede in der Signalübertragung und Dynamik des Gehirns ein einzigartiges Erkennen und Verhalten bei Individuen hervorrufen, ist seit langem ein Ziel der neurowissenschaftlichen Forschung, doch viele Phänomene bleiben unerklärt.
Eine Studie von Neurowissenschaftlern und Ingenieuren an der Washington University in St. Louis befasst sich mit einer neuen Methode zur Erstellung personalisierter Gehirnmodelle, die Einblicke in die individuelle neuronale Dynamik bieten. Unter der Leitung von Shinung Ching, Associate Professor an der Abteilung für Elektro- und Systemtechnik von Preston M. Green an der McKelvey School of Engineering, und Todd Braver, Professor der Abteilung für Psychologische und Gehirnwissenschaften in Arts & Sciences, The Work, veröffentlicht Jan. 17 in PNAsführt einen neuartigen Rahmen ein, mit dem die Forscher individualisierte Gehirnmodelle erstellen können, die auf detaillierten Daten aus nichtinvasiven, hochtemporalen Auflösungshirn-Scans basieren. Solche personalisierten Modelle haben Anwendungen in Forschung und klinischen Umgebungen, in denen sie Fortschritte bei der Neurowissenschaft und Behandlung der neurologischen Erkrankungen unterstützen können.
„Diese Forschung ist motiviert durch unsere Notwendigkeit, die Variation von Person zu Person in der Gehirndynamik zu verstehen“, sagte der erste Autor Matthew Singh, der die Forschung durchführte, während er ein Postdoktorand mit Braver und Ching an der Washu ist und jetzt Assistenzprofessor an der Universität ist von Illinois Urbana-Champaign. „Wir erklären nicht den gesamten Bereich der biophysikalischen Mechanismen, die im menschlichen Gehirn arbeiten von Gehirnphänomenen. „
Ein wesentlicher Vorteil der Technik des Teams ist die Fähigkeit, individuelle Variationen in der Generierung von Alpha- und Beta -Wellen zu erkennen und sie mit globalen Veränderungen im Gehirn zu verknüpfen. Diese beiden Arten von Gehirnwellen, die durch ihre unterschiedlichen elektrischen Frequenzen gekennzeichnet sind, sind mit unterschiedlichen kognitiven Zuständen und Funktionen verbunden. Zum Beispiel sind Alpha-Wellen mit entspannten Zuständen wie Meditation verbunden, während Beta-Wellen mit Alarm- und aktiven Zuständen wie Entscheidungsfindung und Problemlösung verbunden sind. Die Variation der Spitzenfrequenz von Alpha -Wellen war traditionell ein zuverlässiges Maß für individuelle Unterschiede in Gehirn und Verhalten.
Die Studie verknüpft Unterschiede in Alpha- und Beta-Frequenz-Schwingungen mit hirnweiten Variationen des Gleichgewichts zwischen exzitatorischen Neuronen-solche, die die Aktivität steigern, indem sie Signale an andere Neuronen-und inhibitorische Neuronen übergeben-die Aktivitäten durch die Aktivität regulieren Andere Neuronen, um nicht zu schießen. Die Forscher validierten die personalisierten Modelle, indem sie zeigten, dass sie globale individuelle Alpha- und Beta-Muster reproduzieren und zukünftige hirnweite Aktivitäten genau prognostizieren könnten, wodurch die erklärende Kraft ihres Rahmens überprüft.
„Diese neue Technik bietet ein leistungsstarkes Werkzeug, um die Mechanismen zu untersuchen, die der individuellen Gehirndynamik basierend auf nichtinvasiven Messungen der Gehirnaktivität zugrunde liegen“, sagte Ching. „Dies ermöglicht es uns, hochrangige Neurowissenschaften voranzutreiben, Präzisionshirnmodelle für Personen zu erstellen, die zukünftige Gehirnaktivitäten prognostizieren und dieses Wissen nutzen können, um personalisierte medizinische Interventionen zu informieren.“
„Die fortlaufende Zusammenarbeit, Expansion und Verfeinerung unseres Modells wird ein wesentlicher Bestandteil der nächsten Schritte dieses Projekts sein“, fügte Braver hinzu. „Unser innovativer Ansatz hat das Potenzial, neue Erkenntnisse darüber zu geben, wie die individuelle Variation der Gehirndynamik zu Unterschieden in der kognitiven Funktionsweise führt. Wir hoffen, dass dieser Rahmen möglicherweise auch neue Wege zur Verbesserung der kognitiven Funktionen beeinflussen kann, z. B. mit Neurostimulation.“
