Funkcionalna povezanost stanja mirovanja

Funkcionalna povezanost stanja mirovanja je sve više pouzdanija metoda i čak aktuelnija tema u neuronaučnim istraživanjima.

Oksigenacija i funkcionalna povezanost

Tipičan neuron se sastoji od tela ćelije koje prima signale preko dolaznih dendrita i prenosi akcione potencijale do drugih ćelija. Ovo za uzvrat rezultiraju lokalizovanim povećanjem protoka krvi koje premašuje potrebe neurona za kiseonikom. To dovodi do lokalnog povećanja nivoa oksigenacije krvi. Funkcionalna magnetna rezonanca (fMR) beleži ovu lokalnu promenu nivoa kiseonika, tj. BOLD signal (Blood Oxygenation Level Dependent contrast). Time daje sekundarnu i indirektna meru neuronske aktivnosti. Ovaj tzv. ,,hemodinamički odgovor” na neuronsku aktivnost je relativno spor proces koji dostiže svoj vrhunac tek otprilike 5-6 sekundi nakon početka neuralne aktivnosti.

Uopšteno gledano postoje dva sveobuhvatna koncepta u oblasti neuroskeniranja koji nas mogu informisati o tome kako mozak funkcioniše. Prva od njih je lokalizacija, gde istraživači koriste pažljivo osmišljene zadatke ponašanja koje subjekti obavljaju u skeneru magnetne rezonance (MR). Cilj je lokalizacija funkcionalno specijalizovane regione mozga koji se aktiviraju kao odgovor na određeni aspekt ponašanja. Zadaci obično uključuju više različitih stanja (uključujući kontrolne “baseline” periode), a aktivacija izazvana zadatkom se meri i lokalizuje upoređivanjem signala koji zavisi od BOLD-a između različitih stanja. Drugi opšti koncept je istraživanje povezanosti, odnosno načina na koji regioni mozga međusobno komuniciraju i informacije se prenose iz jedne oblasti mozga u drugu. Da bismo istražili povezanost, merimo sličnost BOLD signala iz različitih regiona mozga. Ako su signali slični, to verovatno znači da regioni prenose informacije iz jednog regiona u drugi (tj. postoji povezanost).

Uočena vremenska korelacija

Funkcionalna povezanost se obično definiše kao: „uočena vremenska korelacija između dva elektro- ili neurofiziološka merenja iz različitih delova mozga“. Za ovakvu definiciju, funkcionalna MR u stanju mirovanja (rsfMRI; resting-state fMRI) se pojavila kao odgovarajući način za proučavanje. Pri čemu, „mirovanje“ ili „stanje mirovanja“ se definiše kao budnost bez obavljanja nikakav poseban zadatak (osim ako nije drugačije navedeno). Ovo znači da posmatramo spontane fluktuacije aktivnosti mozga koje nisu pristrasne nikakvim specifičnim zadacima.

Rekli smo da je pretpostavka da su dva regiona funkcionalno povezana ako pokazuju sličnosti u svojim BOLD signalima tokom vremena. Među metodama kojima se mogu sagledaju takve sličnosti, stoji npr. posmatranje njihove korelacije vremenskih serija (timeseries) koristeći Pirsonov koeficijent korelacije. Korelacija se kreće od –​1 (savršena negativna ) do +1 (savršena pozitivna ), gde 0 izostanak korelacije dva signala.

Godine 1995. Biswal i njegove kolege su uporedili mape za aktivaciju zadatka tokom tapkanja prstom s mapom koeficijenata korelacije BOLD podataka dobijenih tokom skeniranja kada se subjekt odmarao. Ovaj rad se sada često navodi kao prva studija koja pokazuje unutrašnje fluktuacije merene u mozgu u stanju mirovanja fMR-om, sadrže informacije o inherentnoj funkcionalnoj organizaciji ljudskog mozga (Biswal, 1995). Prostorna struktura funkcionalno povezanih regiona, koja se dosledno i pouzdano nalazi u fMRI podacima u stanju mirovanja, čini osnovu za fMRI istraživanja u stanju mirovanja. Stoga, dok je funkcionalna povezanost definisana u smislu vremenske sličnosti između signala, prostorni obrasci koji se pojavljuju kada se posmatra povezanost često su od primarnog interesa u istraživanju funkcionalne povezanosti.

Treba razlikovati funkcionalnu povezanost od ostalih povezanosti jer se ne koristi za opisivanje usmerenosti (koja se takođe naziva uzročnost, koja se odnosi na situaciju u kojoj je signal iz jednog regiona odgovoran za aktivaciju drugog regiona). Ponajviše je treba razlikovate od anatomske povezanosti (što je verovatno i najčešće) jer se ne radi o direktnim fizičkim vezama (npr. aksonalni trakt bele materije), već o vremenski-zavisnoj aktivnosti.

Funkcionalna povezanost stanja mirovanja mreža (RSN)

Grupa ili sistem međusobno povezanih ljudi ili stvari se često naziva mreža. S obzirom na gore opisanu definiciju funkcionalne povezanosti, mreža stanja mirovanja je jednostavan skup regiona mozga koji pokazuju sličnosti u svojim BOLD vremenskim serijama dobijenim tokom odmora. Iako nemamo potpuno razumevanje mrežne strukture mozga u mirovanju, nekoliko čestih mreža se pronalaze određenim metodama i grupišu u atlase (Smith S.M, 2009 – unapređena verzija: Tahedl, & Schwarzbach, 2020).

Utvrđene različite mreže pri odmoru su uglavno označene imenima na osnovu prostorne sličnosti s obrascima aktivacije koji se vide u eksperimentima sa zadacima u fMR-i. Ovakvo imenovanje, tj. mapiranje, je najpodobnije za područja povezana s obradom senzornih informacija zbog vidnih podudaranja s područjima koja odgovaraju na senzornu stimulaciju. U ostalim slučajevima, kao npr. unutar multimodalnog asocijativnog korteksta, sličnosti s obrascima aktivacije na zadatke se gube, pa je imenovanje varljivije.

Najpoznatija nervna mreža odmaranja je ,,podrazumevana” mreža ili na engleskom Default Mode Network (DMN). Pokazuje konstantnu deaktivaciju kada se mozak fokusira na bilo kakav zadatak. Može da se kaže da je ova mreža stanja mirovanja baš ,,mreža stanja mirovanja” xexe. Obuhvata post. cingulate kortex, precuneus, med. prefrontalni kortex, infer. parietalni režnjić i later. temporalni korteks.

Dorzalna mreža pažnje, engleski Dorsal Attention Network (DAN), je suprotno od DMN po tome što radi kada mozak usmeruje ponašanje na obavljanje nekog specifičanog zadataka (eng. task-positive network). U skladu, uključujući regioni infer. parietal korteks, frontalo očno polje (frontal eye field), pomoćni (suplementarni) motorni delovi (SMA), insula i dorsolateralni prefrontalni korteksi.

Ostale često ubrajane mreže su višebrojne vizuelne mreže (uključujući dorzalne i ventralne vizuelne mreže), slušne mreže i sensorimotorne mreže. Pored DMN i DAN, dodatne kognitivne mreže uključuju mreže isturenosti (saličnosti; eng. salience), mreže izvršne kontrole i fronto-parietalne mreže.

Važno je napomenuti da ova nomenklatura opisuje kategorizaciju mozga na jednom i pomalo proizvoljno izabranom nivou ,,granularnosti”. Štaviše, ove ,,glavne” mreže formiraju hijararhiju gde se svaka može razbiti na manje systeme (,,mreže unutar mreža”). Ali na kraju, ne može se svaki deo mozga pridodati isključivo jednoj od pomenutih mreža stanja mirovanja. Kao dobar primer su delovi mozga koji što imaju opsežnu konektivnost s dosta regiona mozga. A pored toga, pokazuju funkcionalnu povezanost s više mreža stanja mirovanja.

🧠 Sadržaj 🧠 Akvizicija rsfMRI podataka >>

Reference

– Bijsterbosch, J., Smith, S. M., & Beckmann, C. F. (2017). An introduction to resting state fMRI functional connectivity. Oxford University Press.

– Biswal, B., Yetkin, F.Z., Haughton, V.M., & Hyde, J.S. (1995). Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using echo-planar MRI. Magnetic Resonance in Medicine, 34(4), 537-541. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8524021

– Smith S.M., Fox PT, Miller KL, Glahn DC, Fox PM, Mackay CE, Filippini N, Watkins KE, Toro R, Laird AR, Beckmann CF. Correspondence of the brain’s functional architecture during activation and rest. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009 Aug 4;106(31):13040-5. doi: 10.1073/pnas.0905267106. Epub 2009 Jul 20. PMID: 19620724; PMCID: PMC2722273.

– Tahedl, M & Schwarzbach, J. (2020). An updated and extended atlas for corresponding brain activation during task and rest. 10.1101/2020.04.01.020644.