Картирование мозжечка человека переосмысливает функции мозга

Новые функциональные топографические карты мозжечка человека могут изменить правила игры.

Источник: Предоставлено Viking Adult

Мой покойный отец, Ричард Бергланд, доктор медицинских наук (1932-2007), опубликовал «Ткань разума» в 1986 году. Для обложки книги папа настаивал на сагиттальном виде самолета; ему понравилось, как эта точка зрения освещает основные области мозга в так называемом «черепном шаре». Многие люди ошибочно считают наш «мозг» исключительно левым и правым полушариями головного мозга. Поэтому мой отец всегда стремился обратить внимание на часто забываемый мозжечок и его мозжечковые функции. Сагиттальное представление позволяет легко визуализировать, где «маленький мозг» вписывается в более крупную структуру как часть структуры всего мозга.

Поскольку мозжечок издавна известен координацией времени и точности движений подвижных мышц, для меня было важно позиционировать двигательные функции мозжечка как центрального игрока, когда я писал свою первую книгу по оптимизации спортивного мышления и спортивных результатов. К счастью, мой отец уже вышел на пенсию, и у меня было время помочь мне создать оригинальную модель с раздвоенным мозгом, предназначенную для спортсменов. (Подробнее см. «Расколотый мозг: вечно меняющаяся гипотеза»)

• Кажется умнее
• Как стать клиническим психологом: часть 1
• Психология анти-ваксеров
• Настоящее диетическое лечение депрессии
• Обоснуйте свою личность

Во введении к «Путь спортсмена: пот и биология блаженства» (2007 г.) я рассказываю о происхождении этой модели расщепления мозга:

«Я обязан своей успешной карьерой в качестве спортсмена на выносливость моему пониманию психологии и нейрофизиологии, но я не ученый. Я спортсмен. Несмотря на то, что у меня не было формального обучения в области наук, я вырос на нейробиологе, так как мой отец – одновременно нейрохирург и исследователь нейробиологии. Когда я рос, нейробиология была постоянной темой для разговоров, и дискуссии с моим отцом продолжались на протяжении многих лет. Путь спортсмена основан на гипотезе о том, что у людей есть два мозга: спортивный мозг человека, чувствующий себя и делающий, называемый мозжечком (в переводе с латыни «маленький мозг»), и мозг мышления и рассуждения человека, называемый мозгом (лат. “мозг”). Мой папа и я называем эту модель мозга «мозгом вниз». Восходящий мозг – это головной мозг, основанный на его положении к северу от среднего мозга, который находится посередине между двумя мозгами. Мозжечок – это нижний мозг, как бы южное полушарие на черепном шаре, основанное на его положении к югу от среднего мозга. Простые названия «мозг-вверх» могут звучать грамматически неправильно, но они являются прямым и убедительным ответом на модель «левого мозга-правого полушария» 1970-х годов. Я придумал новые имена в ранних беседах с отцом о различия между головным мозгом и мозжечком, и мне нравится новая терминология за ее простоту ».

Размещая нумерацию своей рукописи, я попросил дизайнера книг издательства St. Martin’s Press посвятить полную страницу карте головного мозга и мозжечка (внизу) с сагиттальной точки зрения, чтобы обычные читатели могли визуализировать «вверх-вниз-вниз» архитектура всего мозга. Этот фрагмент мозга был взят из исследовательской лаборатории моего отца и в некоторой степени отражал обложку книги «Ткань разума» .

• Удивительные идеи об обучении от опытных подростков
• Расчеты с аномалией и способностями
• Исследование генома нашло сочувствие противоположным в аутизме против психоза
• Аутизм: религия и духовность
• Аутизм как путешествие во времени: возвращение Гулливера

Эта карта мозга иллюстрирует самые ранние воплощения «модели расщепления мозга Бергланда» и описывает различные гипотетические роли, которые каждая область мозга может играть в взаимосвязанной системе мозжечка-мозговой коры. (Из стр. 81 «Путь спортсмена: пот и биология блаженства».)

Источник: Фото и макет Кристофера Бергланда (около 2007 г.)

Оглядываясь назад, моя мозговая карта (выше) смущает гипотетически и неуклюже. Но его неточности и обобщения служат исторической цели как часть временной шкалы: причина, по которой я делюсь этим с вами здесь, состоит в том, чтобы проиллюстрировать, почему я так взволнован элегантным дизайном и захватывающими дух деталями последних созданных карт человеческого мозжечка. Ксавье Гуэль в Массачусетском технологическом институте вместе с Джереми Шмахманом в Массачусетской больнице Гарварда, Кэтрин Стодли в Американском университете и их коллегами.

Тем не менее, перед тем, как погрузиться в мельчайшую неврологию последних карт мозжечка, есть еще одна повествовательная история от первого лица и самодельная карта мозга, которой я хочу поделиться с вами в рамках временной шкалы, которая помещает их новаторскую работу в контекст.

После того, как мой отец умер в 2007 году, я дал клятву, что буду держать свои усики на любых новых исследованиях мозжечка и приложу все усилия, чтобы отгрызть решение загадки, которую он задал, сказав: «Мы не знаем точно, что такое мозжечок». делается. Но, что бы он ни делал, он делает многое ».

Поскольку я не являюсь частью академического сообщества и не принадлежу к научному сообществу, большинство моих новых идей о мозжечке основаны на анекдотических наблюдениях и жизненном опыте, смешанном с мешаниной эмпирических данных. Одним из таких ключевых наблюдений была связь между двуногой моторной деятельностью и креативным мышлением. Например, Альберт Эйнштейн классно сказал об E = mc²: «Я думал об этом, когда катался на велосипеде». Кроме того, бесчисленные писатели и дальновидные мыслители на протяжении всей истории сделали ежедневные прогулки неотъемлемой частью своего творческого процесса. На мой взгляд, всегда казалось, что мозжечок должен каким-то образом участвовать в феномене двигательной активности, способствующей дивергентному мышлению и эврике! моменты.

Как триатлет, который стал писателем после ухода из спортивных соревнований в среднем возрасте, я на собственном опыте знал, что бег, езда на велосипеде и плавание помогли мне более свободно обрабатывать язык. Всякий раз, когда я работал, предложения и различные словосочетания того, что я писал в виде черновика в тот день, казалось, превращались в сознательное осознание, как блок-схема. Кроме того, всякий раз, когда я находился в состоянии сна во время аэробных упражнений, я обнаруживал, что соединяю точки, казалось бы, не связанных между собой идей способами, которых не было, когда я сидел неподвижно за своим столом и не занимался какой-либо формой от умеренной до энергичной. физическая активность. (Подробнее см. «Нейронаука воображения».)

Однажды, в далеком 2009 году (когда все эти идеи о возможной связи между функцией мозжечка и «происхождением воображения» всплыли у меня в голове), я наткнулся на друга поэта по имени Мария на улице. Во время нашего разговора о таинственной связи между творческими открытиями и двуногими двигательными задачами она сказала: «Всякий раз, когда я начинаю двигать руками и ногами вперед и назад на эллиптическом тренажере, поэзия льется из меня». Внезапно, в течение миллисекунд от Марии, произносящей эти слова У меня было « ага! »И визуализировал карту мозга, которая одновременно показывала оба полушария головного мозга и оба полушария мозжечка с высоты птичьего полета, сплющенные на одной плоскости. Итак, я помчался домой и нарисовал карту, которую вы видите ниже, так быстро, как мог. Хотя это не сагиттальное представление, оно позволило зрителю одновременно увидеть оба полушария головного мозга и оба полушария мозжечка как часть нашей архитектуры всего мозга. (Подробнее см. «Церебро-мозжечковые контуры напоминают нам: знать недостаточно».)

Эта топографическая карта мозга «церебро-мозжечковой» схемы иллюстрирует важность оптимизации контралатеральной функциональной связи между обоими полушариями головного мозга и обоими полушариями мозжечка.

Источник: Фото и иллюстрация Кристофера Бергланда (около 2009 г.)

Суть карты всего мозга была вдохновлена ​​моей гипотезой, основанной на опыте, о том, что мысли и идеи могут связываться с функциональными сетями связи прямой и обратной связи между всеми четырьмя полушариями мозга во время аэробной двигательной активности.

Хотя я нарисовал эту карту в 2009 году, я совершенно не знал, что в то же время Джереми Шмахманн и Кэтрин Стодли только что опубликовали то, что станет знаковым документом «Функциональная топография в мозжечке человека: метаанализ нейровизуализации». Исследования »(2009), за которым в 2010 году последовала статья« Доказательства топографической организации в мозжечке моторного контроля в сравнении с когнитивной и аффективной обработкой ».

Сквозь призму новаторских карт человеческого мозжечка последние несколько месяцев были потенциально потрясающими. Во-первых, самый последний «Справочник по клинической неврологии» (том 154, 3-я серия) включает картирование мозжечка Стодли и Шмахмана: «Глава четвертая – Функциональная топография мозжечка человека», которая была опубликована в сети 11 июня 2018 года.

Авторы резюмируют важность этих карт мозга в реферате исследования: «Накопление доказательств указывает на критическую роль человеческого мозжечка в моторном и немоторном поведении. Основным принципом этого нового понимания функции мозжечка является наличие функциональных субрегионов в мозжечке, которые по-разному поддерживают моторное, когнитивное и аффективное поведение. Существование соединительной и функциональной топографии мозжечка обеспечивает критический анатомический субстрат для роли мозжечка как в моторных, так и в немоторных функциях. Он также устанавливает основу для интерпретации паттернов активации мозжечка, когнитивных и поведенческих исходов после повреждения мозжечка, а также структурных и функциональных различий мозжечка, о которых сообщается в ряде нейроразвивающих и нервно-психических расстройств ».

Подпись к фотографии из @MIINDLinkНайдено в Твиттере 10 июля 2018 года: «Новый том о мозжечке коллегами Марио Манто (Бельгия) и Тьерри Уисманом (Балтимор). Отличный ряд глав. Хорошо снова написать бывшему пост-доктору Кэтрин Стодли (Американский университет) о функциональной топографии мозжечка ».

Источник: снимок экрана Кристофера Бергланда (@MINDlinkНайдено изображение главы 4 в «Справочнике по клинической неврологии», том 154, серия 3)

Другой недавней вехой на графике картирования мозжечка является публикация статьи Ксавье Гуэля, Джона Габриэли и Джереми Шмахмана «Тройное представление языка, рабочей памяти, социальной и эмоциональной обработки в мозжечке: конвергентные данные из задач и семян». На основе анализа МРТ в состоянии покоя в одной большой когорте ». Эта статья была обложкой для выпуска NeuroImage в мае 2018 года, представленного ниже.

Авторы резюмируют значимость этой статьи в реферате исследования: «В соответствии с предыдущими исследованиями было два различных представления моторной активации. Недавно были открыты три разных представления для рабочей памяти, языка, социальных и эмоциональных задач, которые были в значительной степени разделены для этих четырех когнитивных и аффективных областей. В большинстве случаев активация, основанная на задачах, и соответствующие корреляции сети покоя совпадали при определении двух моторных репрезентаций и трех немоторных репрезентаций, которые были уникальными для рабочей памяти, языка, социального познания и эмоций ».

Карта мозга мозжечка Ксавье Гуэля и его коллег была представлена ​​на обложке NeuroImage в мае 2018 года.

Источник: NeuroImage / Elsevier (том 172, 15 мая 2018 г.)

В статье MIT News за июль 2018 года «Диаграмма мозжечка», первый автор Ксавье Гуэлл из Института исследования мозга Макговерта при Массачусетском технологическом институте, описывает современное отображение его команды моторных и немоторных функций в мозжечке, «Нейробиологи». в 1940-х и 1950-х годах описано двойное представление моторной функции в мозжечке, означающее, что два региона в каждом полушарии мозжечка задействованы в моторном контроле. То, что в мозжечке есть две области моторного представительства, остается одним из наиболее известных фактов физиологии мозжечка в макромасштабе. Наше исследование поддерживает интригующую идею о том, что, хотя две части мозжечка одновременно заняты двигательными задачами, три другие части мозжечка одновременно заняты немоторными задачами. Наши предшественники создали термин «двойное моторное представление», и теперь нам, возможно, придется добавить «тройное немоторное представление» в словарь нейробиологии мозжечка ».

Гуэль участвовал в еще одном недавнем исследовании, которое подчеркивает, как нарушенная функциональная связь между мозжечком и головным мозгом может быть связана с высокофункциональными расстройствами аутистического спектра. Это исследование было проведено Шибой Арнольдом Антерапером (также из Института исследования мозга им. МакГоверна при Массачусетском технологическом институте) и опубликовано в Интернете перед публикацией 31 июля 2018 года в журнале Brain Connectivity .

Anteraper et al. Объясните важность этого исследования в заключении статьи: «Описание нарушений функциональной связности, о которых сообщалось в этом исследовании с использованием анализа всего мозга, может существенно улучшить разработку биомаркеров ASD, мишеней для терапевтических вмешательств и нейронных заболеваний. предикторы для измерения ответа на лечение ».

Кроме того, авторы сказали: «Результаты этого исследования подтверждают вовлечение мозжечка в АСД и, таким образом, указывают на потенциально актуальную позицию« Дисметрия мышления »как концептуальной основы для будущих исследований, посвященных изучению природы симптоматики АСД в психиатрии. Эта теория утверждает, что двигательные, когнитивные и аффективные симптомы, возникающие в результате мозжечковых нарушений, являются отражением единственной неврологической дисфункции. На физиологическом уровне дисметрия мышления основывается на концепции универсального мозжечкового преобразования, которая предполагает, что один единственный неврологический процесс сохраняет мозжечковую модуляцию движения, мышления и эмоций (Schmahmann, 1991, 1996; Schmahmann, 2010); см. также недавний обзор в Guell et al. (2018a) «.

Наконец, в качестве последней и самой последней записи на этом графике, 14 августа 2018 года, была создана совместная команда исследователей из Массачусетского технологического института и Массачусетской больницы общего профиля, Гарвардской медицинской школы (в которую вошли Ксавье Гуэль, Джереми Шмахман, Джон Габриэли и Сатраджит Гош) опубликовал статью «Функциональные градиенты мозжечка: фундаментальный принцип движения к мысли».

Опять же, Guell et al. указывают на значимость их радикально новой гипотезы «тройного немоторного представления»: «Это первое исследование, в котором исследуется прогрессивная иерархическая организация мозжечка. В отличие от фундаментальной и устоявшейся первично-унимодально-трансмодальной иерархической организации в коре головного мозга (Mesulam, 1998, 2008), основная ось двигательной и немоторной организации мозжечка остается неизвестной. Мы впервые описываем, что функциональные области мозжечка следуют постепенной организации, которая прогрессирует от первичной (моторной) к трансмодальной (DMN, сфокусированной на задаче) областях. Кроме того, взаимосвязь между двумя основными градиентами и двумя моторными и тремя немоторными областями представления впервые показала, что существуют функциональные различия не только между двумя моторными, но также и между тремя немоторными областями представления. Первоначальная новая гипотеза о характере этих различий создается с учетом того, что немоторная обработка в долях IX / X (третье немоторное представление) может иметь функциональное сходство с двигательной обработкой в ​​доле VIII (второе моторное представление) ».

В заключение ниже приведены две из последних карт мозжечка Guell et al. (2018) с функциональными градиентами. По моему мнению, информация, хранящаяся на этих картах, меняет наше мировоззрение функций всего мозга таким образом, что потенциально может улучшить жизнь и помочь людям из всех слоев общества оптимизировать их полный потенциал.

Рисунок первый

Градиенты мозжечка и связь с дискретными картами активности задачи (из Guell et al., 2018a) и картами состояния покоя (из Buckner et al., 2011)

Источник: Ксавье Гуэль и др. / Life 2018 (Creative Commons)

Рисунок Два

Градиент 1 расширен от языкового задания / DMN до моторных регионов. Градиент 2 изолировал рабочие области памяти / лобно-теменной сети. (A) Атлас плоской карты мозжечка и градиенты 1 и 2. (B) Диаграмма рассеяния первых двух градиентов. Каждая точка соответствует вокселю мозжечка, положение каждой точки вдоль оси x и y соответствует положению вдоль градиента 1 и градиента 2 для этого вокселя мозжечка, а цвет точки соответствует активности задачи (вверху) или сети в состоянии покоя (внизу) ) связан с этим конкретным вокселем.

Источник: Ксавье Гуэль и др. / Life 2018 (Creative Commons)

Рекомендации

Кэтрин Дж. Стодли и Джереми Д. Шмахманн. «Функциональная топография в мозжечке человека: метаанализ исследований нейровизуализации». NeuroImage (впервые опубликовано: январь 2009 г.) DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2008.08.039

Кэтрин Дж. Стодли и Джереми Д. Шмахманн. «Доказательства топографической организации в мозжечке управления двигателем в сравнении с когнитивной и аффективной обработкой». Cortex (впервые опубликовано: январь 2010 г.) DOI: 10.1016 / j.cortex.2009.11.008

Рэнди Л. Бакнер, Фенна М. Криенен, Анжела Кастелланос, Хулио С. Диас и Б. Т. Томас Йео. «Организация мозжечка человека, оцененная по внутренней функциональной связности». Журнал нейрофизиологии (впервые опубликовано: 1 ноября 2011 г.) DOI: 10.1152 / jn.00339.2011

Кэтрин Дж. Стодли и Джереми Д. Шмахманн. «Глава 4 – Функциональная топография мозжечка человека». Справочник по клинической неврологии (впервые доступен онлайн: 11 июня 2018 г.) DOI: 10.1016 / B978-0-444-63956-1.00004-7

Ксавье Гуэль, Джон Габриэли и Джереми Шмахманн. «Тройное представление языка, рабочей памяти, социальной и эмоциональной обработки в мозжечке: конвергентное свидетельство из анализа МРТ в состоянии покоя и посевного состояния в одной большой когорте». NeuroImage (впервые опубликовано в сети: 2 февраля 2018 г.) DOI: 10,1016 / j.neuroimage.2018.01.082

Шиба Арнольд Антерапер, Ксавье Гуэль, Анила Д’Мелло, Неха Джоши, Сьюзан Уитфилд-Габриэли и Гаган Джоши. «Нарушение цереброцеребеллярной внутренней функциональной связи у молодых людей с высокофункциональным расстройством аутистического спектра: исследование функционального магнитно-резонансного томографа с высоким разрешением, управляемым данными, с целым мозгом». Связь с мозгом (впервые опубликовано в сети: 31 июля 2018 г.) : 10.1089 / brain.2018.0581

Ксавье Гуэль, Джереми Д. Шмахман, Джон Д. Габриэли, Сатраджит С. Гош. «Функциональные градиенты мозжечка». ELife (впервые опубликовано: 14 августа 2018 г.) DOI: 10.7554 / eLife.36652