Mysterieuze ‘spiraalvormige’ hersensignalen ontdekt, die de sleutel kunnen zijn tot onze cognitie

Door ogenblikkelijke fluctuaties in de functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) -signalen van de menselijke cortex te onderzoeken, ontdekten wetenschappers van de Universiteit van Sydney en Fudan University spiraalvormige golven die zich voortplantten door het neuronale weefsel van het exoskelet. Volgens hen helpen deze “hersenspiralen” de hersenactiviteit en cognitieve verwerking te reguleren. Hun ontdekking zou kunnen helpen bij het ontwikkelen van machines die rechtstreeks zijn geïnspireerd op het menselijk brein.

De hersenschors is de buitenste laag van de hersenen en is de grootste plaats van neuronale integratie in het centrale zenuwstelsel (het heeft tussen de 14 en 16 miljard neuronen). Het speelt een sleutelrol in veel complexe cognitieve functies, zoals aandacht, waarneming, bewustzijn, denken, geheugen, taal en bewustzijn. De hersensignalen die de onderzoekers ontdekten, zijn verspreid over de cortex en komen overal voor, zowel in rust als tijdens cognitieve taken.

Het meeste neurowetenschappelijk onderzoek richt zich op de verbindingen en interacties tussen zenuwcellen om te begrijpen hoe de hersenen werken. Maar steeds meer wetenschappers bestuderen grotere hersenprocessen om de mysteries ervan op te lossen. ” Grootschalige menselijke hersenactiviteit vertoont rijke en complexe patronen, maar de spatio-temporele dynamiek van deze patronen en hun functionele rol in cognitie blijven onduidelijk. Leg de onderzoekers uit De aard van menselijk gedrag.

“Bruggen” om informatie sneller te verwerken

Door functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) hersenen van ongeveer 100 jonge mannen te onderzoeken, identificeerde het team voor het eerst deze vreemde hersenspiralen, die zich over de cortex verspreidden. Ze waren aanwezig in de hersenen van alle deelnemers.

Hun exacte functie moet nog worden opgehelderd, maar deze signalen lijken een rol te spelen bij het reguleren van hersenactiviteit en cognitieve verwerking. ” Eigenschappen van deze hersenspiralen, zoals hun oriëntaties en rotatielocaties, zijn taakgerelateerd en kunnen worden gebruikt om verschillende cognitieve taken te categoriseren. De onderzoekers noteren in hun artikel.

Ze merken op dat cerebrale spiralen roteren rond centrale punten die ze ‘fase-singulariteitscentra’ noemen, terwijl de centra zelf zich over de hersenschors verspreiden en een rijke spatio-temporele dynamiek produceren. Ze stelden vast dat de spiralen tot ongeveer tien centimeter in de cortex konden reizen. Het team meldt ook dat de spiraalverdelingen in de linker- en rechterhersenhelft een zekere mate van symmetrie vertonen. Ze hebben al gemerkt dat groepen spiralen met tegengestelde draairichtingen zich vaak in dezelfde functionele gebieden van de hemisferen bevinden.

Het blijkt ook dat er vaak spiralen verschijnen op de grens tussen de verschillende functionele netwerken van de hersenen. Deze specifieke locatie suggereert dat ze kunnen fungeren als “communicatiebruggen”, die hersenactiviteit effectief verbinden met verschillende regio’s of neurale netwerken in de hersenen via hun roterende beweging. Sommige van de waargenomen slakken waren groot genoeg om meerdere webben te overspannen.

” Complexe interacties tussen meerdere gelijktijdig aanwezige helices kunnen het mogelijk maken dat neurale berekeningen op een gedistribueerde en parallelle manier worden uitgevoerd, wat resulteert in opmerkelijke rekenefficiëntie. », Pulin Gong legt uituniversitair hoofddocent aan de School of Physics, School of Science, University of Sydney en co-auteur van de studie.

Naar een beter begrip van de hersenen en zijn ziekten

De onderzoekers ontdekten dat deze op elkaar inwerkende hersenspiralen flexibele herconfiguratie van hersenactiviteit mogelijk maken tijdens verschillende taken waarbij natuurlijke taalverwerking en werkgeheugen betrokken zijn. Wanneer studiedeelnemers werd gevraagd om bepaalde taken uit te voeren (bijvoorbeeld een wiskundevraag beantwoorden of naar een verhaal luisteren), veranderden de spiralen van richting van met de klok mee naar tegen de klok in in verschillende delen van de hersenen. Dit suggereert dat ze hersenactiviteit coördineren door de richting van hun rotatie te veranderen. Ook hun distributie is een specifieke taak.

Omdat de locatie en draairichting van de cerebrale spiralen taakspecifiek zijn, kunnen deze kenmerken worden gebruikt om de verschillende fasen van voortdurende cognitieve verwerking betrouwbaar te classificeren.

” Onze studie suggereert dat een beter begrip van hoe spiralen zich verhouden tot cognitieve verwerking ons begrip van de dynamiek en functies van de hersenen aanzienlijk zou kunnen verbeteren. zei professor Gong. Een beter begrip van de basisfuncties van de hersenen kan tegelijkertijd helpen om de effecten van bepaalde ziekten, zoals dementie of cerebrale parese, die de cortex rechtstreeks aantasten, beter te begrijpen.

maar dat is nog niet alles! Het team gelooft dat hun ontdekking de potentie heeft om geavanceerde computers vooruit te helpen, die rechtstreeks zijn geïnspireerd door de complexe werking van het menselijk brein. De onderzoekers hopen dat hun studie andere neurowetenschappers zal aanmoedigen om naar grootschalige fenomenen in de hersenen te kijken, om een ​​vollediger beeld te krijgen van hoe het werkt.

bron : Y. Xu et al., De aard van menselijk gedrag