Ein jahrhundertealtes Paradigma wurde auf den Kopf gestellt: Die Form des Gehirns ist wichtiger als die neuronale Konnektivität

Forscher haben herausgefunden, dass die Form des Gehirns eines Menschen das Denken, Fühlen und Verhalten stark beeinflusst und damit den vorherrschenden Fokus auf komplexe neuronale Kommunikation auf den Kopf stellt. Mithilfe von MRT-Scans und dem Prinzip der Autokodierung fanden sie heraus, dass die Gehirnfunktion eng mit seinen geometrischen Eigenschaften verknüpft ist, ähnlich wie die Form eines Musikinstruments seinen Klang bestimmt, was neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Gehirnfunktionen und -krankheiten eröffnet.

Die Form unseres Gehirns und nicht die Interaktionen zwischen verschiedenen Regionen spielen eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung unserer Gedanken, Emotionen und Handlungen.

Seit mehr als hundert Jahren glauben Wissenschaftler, dass unsere Gedanken, Gefühle und Träume durch die Art und Weise geformt werden, wie verschiedene Gehirnregionen über ein riesiges Netzwerk von Billionen zellulärer Verbindungen interagieren.

Eine aktuelle Studie unter der Leitung des Teams des Turner Institute of Brain and Mental Health der Monash University untersuchte jedoch mehr als 10.000 verschiedene Karten der menschlichen Gehirnaktivität und stellte fest, dass die allgemeine Form des Gehirns eines Individuums größeren Einfluss auf kognitive Prozesse, Emotionen und Verhalten hat als die komplexe neuronale Konnektivität.

Die Studie, die kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift veröffentlicht wurde, Natur Er vereint Ansätze aus der Physik, den Neurowissenschaften und der Psychologie, um das jahrhundertealte Paradigma, das die Bedeutung der komplexen Gehirnkonnektivität betont, zu überwinden und stattdessen die zuvor unterschätzte Beziehung zwischen Gehirnform und -aktivität zu identifizieren.

Der Hauptautor und wissenschaftliche Mitarbeiter Dr. James Pang vom Turner Institute und der School of Psychological Sciences der Monash University sagte, die Ergebnisse seien wichtig, weil sie die Art und Weise, wie wir untersuchen können, wie das Gehirn funktioniert, sich entwickelt und altert, erheblich vereinfachten.

Alex Fornetto (links) und James Pang untersuchten mehr als 10.000 MRT-Bilder, um die wichtige Gehirnform zu bestimmen. Bildnachweis: Monash University

„Die Arbeit eröffnet Möglichkeiten, die Auswirkungen von Krankheiten wie Demenz und Schlaganfall zu verstehen, indem Modelle der Gehirnform untersucht werden, mit denen viel einfacher zu arbeiten ist als mit Modellen der gesamten Verknüpfungen im Gehirn“, sagte Dr. Pang.

„Wir haben lange geglaubt, dass bestimmte Gedanken oder Empfindungen Aktivität in bestimmten Teilen des Gehirns auslösen, aber diese Studie zeigt, dass organisierte Aktivitätsmuster fast im gesamten Gehirn stimuliert werden, ähnlich wie eine Musiknote aus Vibrationen entsteht, die entlang der gesamten Länge einer Geigensaite auftreten, und nicht nur an einem isolierten Teil“, sagte er.

Das Forschungsteam nutzte die Magnetresonanztomographie (MRT), um Eigenmoden zu untersuchen. Dabei handelt es sich um natürliche Schwingungs- oder Anregungsmuster in einem System, bei dem verschiedene Teile des Systems mit derselben Frequenz angeregt werden. Automodule werden typischerweise zur Untersuchung physikalischer Systeme in Bereichen wie Physik und Ingenieurwesen verwendet und wurden erst kürzlich für die Untersuchung des Gehirns angepasst.

Diese Arbeit konzentrierte sich auf die Entwicklung der besten Methode zur effizienten Konstruktion von Eigenmoden für das Gehirn.

Co-Hauptautor Dr. Kevin Aquino von BrainKey und der University of Sydney sagte: „So wie die Resonanzfrequenzen von Geigensaiten durch ihre Länge, Dichte und Spannung bestimmt werden, werden die Eigenmoden des Gehirns durch ihre strukturellen Eigenschaften – physikalisch, geometrisch und anatomisch – bestimmt, aber die wichtigsten spezifischen Eigenschaften sind ein Rätsel geblieben.“

Das vom Turner Institute und ARC School of Psychological Science Fellow Professor Alex Fornetto geleitete Team verglich, wie subjektive Profile, die aus Gehirnformmodellen gewonnen wurden, unterschiedliche Aktivitätsmuster erklären können, wenn sie mit subjektiven Profilen verglichen werden, die aus Gehirnkonnektivitätsmodellen gewonnen wurden.

„Wir haben herausgefunden, dass durch die Gehirngeometrie – ihre Konturen und Krümmungen – definierte Eigenmoden die stärkste anatomische Einschränkung für die Gehirnfunktion darstellen, genauso wie die Form eines Zylinders die Geräusche beeinflusst, die er erzeugen kann“, sagte Professor Fornetto.

„Mithilfe mathematischer Modelle haben wir theoretische Vorhersagen bestätigt, dass die enge Verbindung zwischen Geometrie und Funktion durch wellenartige Aktivität angetrieben wird, die sich im Gehirn ausbreitet, so wie die Form eines Teichs die Wellen von fallenden Kieselsteinen beeinflusst“, sagte er.

„Diese Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit, die Funktion des Gehirns direkt anhand seiner Form vorherzusagen, und eröffnen neue Möglichkeiten für die Erforschung, wie das Gehirn zu individuellen Verhaltensunterschieden und dem Risiko für psychiatrische und neurologische Erkrankungen beiträgt.“

Das Forschungsteam stellte fest, dass in mehr als 10.000 MRT-Aktivitätskarten, die bei der Ausführung verschiedener von Neurowissenschaftlern entwickelter Aufgaben zur Erforschung des menschlichen Gehirns erstellt wurden, die Aktivität von subjektiven Mustern mit räumlichen Mustern dominiert wurde, die sehr lange Wellenlängen aufwiesen und sich über Entfernungen von mehr als 40 Millimetern erstreckten.

„Dieser Befund widerspricht der herkömmlichen Meinung, nach der die Aktivität bei verschiedenen Aufgaben oft in fokalen und isolierten Regionen erhöhter Aktivität stattfindet, und zeigt uns, dass herkömmliche Methoden der Gehirnkartierung möglicherweise nur die Spitze des Eisbergs zeigen, wenn es darum geht, zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert“, sagte Dr. Pang.

Referenz: „Engineering Limitations on Human Brain Functions“ von James C. Pang, Kevin M. Aquino, Marian Oldenkel, Peter A. Robinson, Ben de Fulcher, Michael Breakspeare, Alex Fornetto, 31. Mai 2023, hier verfügbar. Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06098-1