Функциональные сканеры МРТ предоставляют карты сигналов в головном мозге, но ученые знают, что эти карты могут быть немного неточными. Фото Янне Морена.
Каждый раз, когда ученые проводят сканирование мозга, в комнате появляется слон.
Функциональное сканирование МРТ дает красочные карты сигналов в головном мозге, но ученые знают, что эти карты могут быть немного неточными. Это потому, что сканер не отслеживает нейронную активность напрямую. Сканер измеряет изменения уровня оксигенации крови мозга.
Ученые проводили исследования отрубей, исходя из предположения, что стимулы, которые они используют в своих экспериментах, побуждают нейроны реагировать и, в свою очередь, изменяют кровоток в сосудах, которые снабжают эти нейроны. Однако ученые не знают с какой-либо математической точностью, как реакция крови связана с активностью нейронов.
"Мы использовали этот метод в течение последних 25 лет, и на самом деле мы не знаем точной взаимосвязи между сигналом крови, который мы видим, и нервным сигналом, который мы хотим вывести," сказал нейробиолог Боско Тянь.
Недостающее математическое звено
Тянь, профессор психологии и содиректор Центра когнитивной нейровизуализации Дорнсайф, сказал, что ученые попытались количественно оценить взаимосвязь между оксигенацией крови, известной как "гемодинамический" ответ – и нейронные сигналы.
Например, ученые однажды хирургическим путем вставили электрод в мозг обезьяны, сказал он. Устройство давало им прямую оценку нейронной активности во время сканирования обезьяны. Но у исследования были существенные недостатки: оно было инвазивным, и его нельзя было опробовать на людях.
Тян сказал, что ему представилась возможность, которая может привести ученых к отсутствующей математической связи между нейронной активностью и реакцией крови – без необходимости проведения какой-либо инвазивной хирургии.
У студента, заинтересованного в работе в его лаборатории, была редкая проблема со зрением -"ахиазма"- условие, которое позволило Тяну и его команде проверить и обнаружить математическую взаимосвязь между нейронными реакциями и реакциями крови.
Люди с ахиазмой, врожденным заболеванием, обычно имеют умеренную потерю зрения. Однако нервные связи между их глазами и мозгом далеки от нормы. Это состояние встречается редко и, вероятно, недостаточно диагностируется, потому что его можно обнаружить только с помощью сканирования мозга – инструмента, которого нет у большинства оптометристов, проводящих плановые проверки зрения.
Обычно глаза работают как камеры, записывая сцену перед ними. Каждый глаз записывает сцену в двух частях – левом и правом полях зрения. Внутри нейроны передают визуальную информацию по зрительным нервам в мозг. Сцена в левом поле зрения левого и правого глаза переносится в правое полушарие мозга для обработки. При этом изображение в правом поле зрения обоих глаз переносится в левое полушарие мозга.
3-D просмотр
Когда изображения одной и той же сцены левым и правым глазами объединяются в мозгу, человек может видеть в трех измерениях.
Пациентам с ахиазмой мир кажется плоским, потому что у них неисправная проводка в зрительных нервах. Вместо того, чтобы переносить изображения одного и того же поля зрения из обоих глаз в одно и то же полушарие мозга, чтобы изображения можно было объединить, неправильно сплетенные нервные волокна переносят изображения из обоих полей зрения одного и того же глаза в одно и то же полушарие мозга. Это означает, что изображения двух глаз попадают в отдельные полушария и никогда не объединяются.
Нейроны в мозгу, которые получают входные данные из левого поля зрения, не мешают нейронам получать входные данные из правого поля зрения, потому что в противном случае сцены из левого и правого полей зрения заслоняли бы друг друга.
Однако из-за неправильной проводки при ахиазме эти нейроны расположены очень близко друг к другу в мозгу, настолько, что они совместно контролируют местное кровоснабжение. Это очень необычное расположение невзаимодействующих нейронов позволило Тяну и его команде проверить с помощью серии сканирований мозга, является ли взаимосвязь между нейронной реакцией и реакцией крови линейной, как давно предполагали ученые.
Они обнаружили, что это не так. Величина функционального сигнала МРТ примерно пропорциональна квадратному корню из основного уровня нейронной активности.
"Мы обнаружили недостающую математическую связь между нейронными реакциями и ответами крови у уникального человека, и это хорошо помогло учесть другие данные в литературе," Тян сказал. "Это открывает перед учеными новые возможности для решения основного вопроса о том, что на самом деле означают функциональные измерения МРТ."
Его команда сейчас разрабатывает новые аналитические методы, чтобы обеспечить лучшую интерпретацию функциональных сигналов МРТ.
Соавтор исследования и аспирант Кристофер Пурингтон сказал, что пока необходимы дополнительные исследования, "Самое захватывающее в этом исследовании то, что оно приближает нас к тому, что мы на самом деле пытаемся изучить с помощью фМРТ – нейронной активности."
Результаты команды недавно опубликованы в журнале eLife.