Basit Matematik Beyindeki Elektriksel Aktiviteyi Tahmin Ediyor, Çalışma Gösterir : ScienceAlert

Geniş bir sinir lifleri ağı aracılığıyla, elektrik sinyalleri sürekli olarak beyinde dolaşıyor. Bu karmaşık aktivite, nihayetinde düşüncelerimize, duygularımıza ve davranışlarımıza – ama aynı zamanda muhtemelen zihinsel sağlık ve nörolojik sorunlara da yol açan şeydir. işler ters gittiğinde.

Beyin stimülasyonu bir gelişmekte olan tedavi Bu tür bozukluklar için. Beyninizin bir bölgesini elektriksel veya manyetik darbelerle uyarmak, sinir bağlantı ağınız aracılığıyla bir dizi sinyali tetikleyecektir.

Bununla birlikte, şu anda bilim adamları, bu basamakların beyninizin aktivitesini bir bütün olarak etkilemek için nasıl hareket ettiğinden tam olarak emin değiller – beyin stimülasyon terapilerinin faydalarını sınırlayan önemli bir eksik parça.

Son araştırmamızda, yayınlanan Nöronbeyin stimülasyonunun yayılmasının ağların matematiği kullanılarak tahmin edilebileceğini keşfettik.

Beyindeki elektrik sinyallerini izleme

İnsan beyninde iletişimi incelemek zordur. Bunun nedeni, elektrik sinyallerinin beynin bir kısmı ile diğer kısmı arasında saniyenin binde biri ölçeğinde çok hızlı hareket etmesidir.

İşleri daha da karmaşık hale getirmek için, sinyaller, tüm beyin bölgelerini birbirine bağlayan inanılmaz derecede karmaşık bir sinir lifleri ağı aracılığıyla iletilir. Bu sorunlar, bilim adamlarının beyinde dolaşan sinyalleri gözlemlemesini bile zorlaştırıyor.

Bununla birlikte, çok özel ve kontrollü koşullar altında, beyin sinyallerinin yayılmasını kesin olarak izlemek için istilacı elektrotlar kullanabiliriz. İnvaziv elektrotlar, rıza gösteren hastaların beyinlerine cerrahi olarak yerleştirilen aletlerdir.

Bu tür invaziv prosedürlerin yalnızca çok özel durumlarda, asıl amaç hastalara yardım etmek olduğunda yapılabileceğini vurgulamak önemlidir. Olgumuzda hastalar şiddetli epilepsisi olan kişilerdi. Epilepsi hastaları ilaca yanıt vermediğinde, doktorların beyinlerinde neler olabileceği hakkında daha fazla bilgi edinmesine yardımcı olmak için elektrot kullanmayı tercih edebilirler.

Çalışmamız esas alındı 550 gönüllü epilepsi hastasından oluşan büyük bir grup Kuzey Amerika, Asya ve Avrupa’da 20’den fazla hastanede.

Elektrotlar, bir beyin bölgesini elektrik darbesiyle hafifçe uyarmanın ve aynı zamanda hastanın beyin aktivitesini kaydetmenin bir yolunu sağlar. Elektrik darbelerinin bir bölgeden diğerine iletişimini izlemek için beynin farklı konumlarına yerleştirilmiş elektrotlardan gelen verileri kullandık.

Çalışmamızın son bileşeni olarak, insan beyninin sinir lifi ağı olarak bilinen sinir lifi ağını yeniden yapılandırmak için MRI taramalarını kullandık. konektom. Bu bize beyinde elektrik sinyallerinin iletildiği fiziksel kablolamanın bir modelini verdi.

Ağ iletişiminin matematiği

Peki, konnektörün karmaşık kablolaması yoluyla sinyaller nasıl iletilir?

Basit bir olasılık, sinyallerin bağlantıdaki en doğrudan yollardan geçmesidir. Ağ açısından bu, bir elektrik darbesinin bir bölgeden diğerine, aralarındaki en kısa ara bölge yolu üzerinden gittiği anlamına gelir.

Başka bir fikir, sinyallerin şu yollarla yayılmasıdır: ağ difüzyonu. Bunu anlamak için suyun bir boru ağından nasıl akacağını düşünün.

Su şebekedeki bir kavşağa her ulaştığında, akış farklı yollar boyunca bölünür. Suyun yolculuğu boyunca daha fazla kavşak, daha fazla yarılma anlamına gelir ve herhangi bir yol boyunca akış daha zayıf hale gelir.

Bununla birlikte, ayrılan yollardan bazıları aşağı akışta tekrar buluşursa, akışın gücü yeniden artar. Bu benzetmede, ağdaki tüm bağlantılar (borular), yalnızca en doğrudan yol boyunca olanlar değil, sinyal (su) akışının şekillendirilmesine katkıda bulunur.

ne bulduk

Bu iki tür ağ iletişimi – en kısa yollar ve yaygın akış – iki rakip hipotez beyin stimülasyonundan sonra elektrik sinyallerinin bağlantı kabloları aracılığıyla nasıl kademeli olarak ilerlediğini açıklamak için. Bugün, bilim adamları hangi hipotezin beyinde olanlarla en iyi eşleştiğinden emin değiller.

Çalışmamız bu tartışmayı çözmeye çalışan ilk çalışmalardan biridir. Bunu yapmak için, hastaların beyinlerindeki elektrotlarla ölçülen elektrik sinyali yayılımını en kısa yolların mı yoksa difüzyonun mu en iyi tahmin ettiğini sorduk.

Verileri analiz ettikten sonra, yayılan akış hipotezini destekleyen kanıtlar bulduk. Bu, daha fazla sinir bağlantısının – yalnızca en kısa yollarda seyahat edenlere kıyasla – beyin stimülasyonunun konektomdan aşağı doğru nasıl basamaklanacağını şekillendirdiği anlamına gelir.

Bu, sinir bağlantılarının fiziksel bağlantılarının beyin aktivitesine ve işlevine nasıl katkıda bulunduğunu anlamamıza yardımcı olduğu için bilim adamları için önemli bir bilgidir.

Sıradaki ne?

Çalışmamız türünün ilk örneklerinden biridir ve bulduklarımızı doğrulamak için daha fazla çalışmaya ihtiyaç vardır. Beyin iletişimi konusundaki anlayışımızdaki ilerlemenin klinik bilim adamlarına da yardımcı olacağını umuyoruz. daha iyi beyin stimülasyon tedavileri tasarlayın ruh sağlığı sorunları için.

Beyin stimülasyonu, beyin bölgeleri arasındaki arızalı iletişimi “geri yüklemeye” yardımcı olabilir. Örneğin, non-invaziv stimülasyon (kafatası dışında ve ameliyata gerek kalmadan yapılan) bir Avustralya’da majör depresif bozukluk tedavisi mevcuttur.

Gelecekteki araştırmamızda, burada bildirilen keşiflerin bu tür beyin stimülasyon tedavilerinin terapötik faydasını iyileştirmek için kullanılıp kullanılamayacağını araştıracağız.

Caio SeguinDoktora Sonrası Araştırma Görevlisi, Indiana Üniversitesi Ve Andrew ZaleskyBiyomedikal Mühendisliği ve Psikiyatri Profesörü, Melbourne Üniversitesi

Bu makale şu adresten yeniden yayınlanmıştır: Konuşma Creative Commons lisansı altında. Okumak orijinal makale.