De unieke parallelle paden van het menselijk brein

samenvatting: Onderzoekers hebben een uniek kenmerk van communicatienetwerken in het menselijk brein ontdekt: de overdracht van informatie langs meerdere parallelle paden, een kenmerk dat nog niet is waargenomen bij makaken of muizen.

Deze bevinding kwam voort uit een onderzoek waarbij gebruik werd gemaakt van diffusie- en fMRI-gegevens, evenals van informatie- en grafentheorie. Het team bracht de ‘hersenbeweging’ in kaart om de signaaloverdracht in de hersenen van verschillende zoogdieren te vergelijken.

Hun onderzoek suggereert dat deze parallelle routes bij mensen kunnen bijdragen aan onze geavanceerde cognitieve vaardigheden en implicaties kunnen hebben voor het begrijpen van de evolutie van de hersenen en potentiële medische toepassingen.

Belangrijkste feiten:

1. Uit het EPFL-onderzoek bleek dat menselijke hersenen op unieke wijze informatie doorgeven via meerdere parallelle routes, in tegenstelling tot makaken en muizen.
2. Deze ontdekking werd gedaan met behulp van een nieuwe combinatie van diffusie-MRI, functionele MRI, informatietheorie en grafentheorie.
3. Het onderzoek suggereert dat deze parallelle routes kunnen bijdragen aan hogere cognitieve functies en nieuwe inzichten kunnen bieden in de plasticiteit van de hersenen en neurorehabilitatie.

bron: EPFL

In een onderzoek waarin communicatienetwerken in het menselijk brein werden vergeleken met die in makaken en muizen, ontdekten EPFL-onderzoekers dat alleen menselijke hersenen informatie langs meerdere parallelle routes doorgeven, wat leidt tot nieuwe inzichten in de evolutie van zoogdieren.

Bij het beschrijven van hersencommunicatienetwerken maakt Alessandra Griffa, een postdoctoraal onderzoeker bij EPFL, graag gebruik van reismetaforen. Hersensignalen worden van bron naar doel gestuurd, waardoor een multisynaptisch pad ontstaat dat meerdere hersengebieden doorsnijdt “als een weg met veel tussenstops onderweg.”

Ze legt uit dat structurele communicatieroutes van de hersenen al zijn waargenomen op basis van netwerken (“routes”) van zenuwvezels. Maar als wetenschapper bij het Medical Image Processing Laboratory (MIP:Lab) van de faculteit Ingenieurswetenschappen van EPFL, en onderzoekscoördinator bij het Leenaards Memory Centre van CHUV, wilde Griffa patronen van informatieoverdracht volgen om te leren hoe berichten worden verzonden en ontvangen. Uit een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in natuurcommunicatie, Ze werkte samen met MIP:Lab-hoofd Dimitri van de Wiel en SNSF Ambizione Fellow Enrico Amico om ‘hersenbewegingskaarten’ te maken die vergeleken konden worden tussen mensen en andere zoogdieren.

Om dit te bereiken gebruikten de onderzoekers open-source diffusie (DWI) en functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) gegevens van mensen, makaken en muizen, die werden verzameld terwijl de proefpersonen wakker en in rust waren.

Dankzij DWI-scans konden wetenschappers ‘wegenkaarten’ van de hersenen reconstrueren, en dankzij fMRI-scans konden ze langs elke ‘weg’ verschillende delen van de hersenen zien oplichten, wat erop duidde dat deze paden neurale informatie doorgaven.

Ze analyseerden multimodale MRI-gegevens met behulp van informatietheorie en grafentheorie, en Greva zegt dat het deze nieuwe combinatie van methoden was die tot nieuwe inzichten leidde.

“Wat nieuw is in onze studie is het gebruik van multimodale data in één enkel model dat twee takken van de wiskunde combineert: grafentheorie, die multi-synaptische ‘routekaarten’ beschrijft; en informatietheorie, die de overdracht van informatie (of ‘verkeer’) definieert. ) over wegen.”

“Het basisprincipe is dat de berichten die van bron naar doel worden doorgegeven, bij elke stop onderweg onveranderd blijven of verder verslechteren, zoals het telefoonspelletje dat we als kinderen speelden.”

De aanpak van de onderzoekers onthulde dat informatie in niet-menselijke hersenen langs één enkele “route” wordt verzonden, terwijl er bij mensen meerdere parallelle paden waren tussen dezelfde bron en hetzelfde doel. Bovendien waren deze parallelle sporen net zo uniek als vingerafdrukken en konden ze worden gebruikt om individuen te identificeren.

“Een dergelijke parallelle verwerking is verondersteld in menselijke hersenen, maar is nog nooit eerder waargenomen op het niveau van het hele brein”, vat Greva samen.

Mogelijke inzichten in evolutie en geneeskunde

De schoonheid van het model van de onderzoekers, zegt Griffa, ligt in de eenvoud ervan, en dat het nieuwe perspectieven en onderzoeksmogelijkheden in de evolutie- en computationele neurowetenschappen inspireert. De bevindingen kunnen bijvoorbeeld in verband worden gebracht met de uitbreiding van de menselijke hersengrootte in de loop van de tijd, waardoor complexere connectiviteitspatronen ontstaan.

“We kunnen aannemen dat deze parallelle informatiestromen meerdere representaties van de werkelijkheid mogelijk maken, en het vermogen om abstracte functies uit te voeren die specifiek zijn voor mensen.”

Ze voegt eraan toe dat, hoewel deze hypothese slechts speculatie is, zoals in… Natuurcommunicatie Het onderzoek omvatte geen testen van de rekenkundige of cognitieve vaardigheden van mensen, en dit zijn vragen die ze in de toekomst graag zou willen onderzoeken.

“We hebben gekeken naar hoe informatie wordt overgedragen, dus een interessante volgende stap zal zijn om complexere processen te modelleren om te bestuderen hoe informatie wordt gecombineerd en verwerkt in de hersenen om iets nieuws te creëren.”

Als geheugen- en cognitieonderzoeker is ze vooral geïnteresseerd in het gebruik van het in het onderzoek ontwikkelde model om te zien of parallelle informatieoverdracht plasticiteit kan verlenen aan hersennetwerken, wat misschien een rol kan spelen bij neurorehabilitatie na hersenletsel, of bij het voorkomen van cognitieve achteruitgang. Bij ouderdomsziekten.

“Sommige mensen worden gezond ouder, terwijl anderen cognitieve achteruitgang ervaren. Daarom willen we graag zien of er een verband bestaat tussen dit verschil en de aanwezigheid van parallelle informatiestromen, en of ze getraind kunnen worden om neurodegeneratieve processen te compenseren.”

Over dit neurowetenschappelijk onderzoeksnieuws

auteur: Celia Lauterbacher
bron: EPFL
communicatie: Celia Lauterbacher – EPFL
afbeelding: Afbeelding toegeschreven aan Neuroscience News

Originele zoekopdracht: Vrije toegang.
“Bewijs voor een verhoogde parallelle informatieoverdracht in menselijke hersennetwerken vergeleken met mannelijke makaken en muizen“Door Dimitri van de Wiel et al. Natuurcommunicatie

een samenvatting

Bewijs voor een verhoogde parallelle informatieoverdracht in menselijke hersennetwerken vergeleken met mannelijke makaken en muizen

Hersencommunicatie, gedefinieerd als de overdracht van informatie via witte stofverbindingen, is de basis van de computercapaciteiten van de hersenen die bijna alle aspecten van gedrag omvatten: van zintuiglijke waarneming die gebruikelijk is bij zoogdiersoorten, tot complexe cognitieve functies bij mensen.

Hoe hebben communicatiestrategieën in grote hersennetwerken zich in de loop van de evolutie aangepast om steeds complexere functies te vervullen?

Door een grafische benadering en informatietheorie toe te passen om informatiegerelateerde routes in de hersenen van mannelijke muizen, makaken en mensen te evalueren, demonstreren we de hersenconnectiviteitskloof tussen selectieve informatieoverdracht bij niet-menselijke zoogdieren, waar hersengebieden informatie delen via individuele multi-systemen. -synaptische routes. Parallelle informatieoverdracht bij mensen, waarbij regio’s informatie delen via meerdere parallelle paden. Bij mensen fungeert parallel transport als een belangrijke schakel tussen unilaterale en transmodale systemen.

De lay-out van informatiegerelateerde routes is uniek voor individuen van verschillende zoogdiersoorten, wat de specificiteit van de informatierouteringsstructuur op individueel niveau suggereert.

Ons werk levert bewijs dat verschillende connectiviteitspatronen verband houden met de evolutie van hersennetwerken bij zoogdieren.