Signalen vastgelegd met fMRI uit de hersenen van een rat, bekeken bovenop een anatomisch beeld van het dier. Contralaterale gebieden die rood gekleurd zijn, worden tegelijkertijd geactiveerd, ondanks de grote afstand ertussen. Krediet: Joana Cabral
Het is meer dan 20 jaar geleden dat neuroimaging-onderzoeken – met behulp van functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI), een veelgebruikte technologie om live video’s van hersenactiviteit vast te leggen – hersenbrede complexe patronen van gecorreleerde hersenactiviteit hebben gedetecteerd die in een breed bereik verstoord lijken van neurologische en psychiatrische aandoeningen. Deze patronen vormen zich spontaan, zelfs in rust wanneer er geen specifieke taak wordt uitgevoerd, en zijn niet alleen bij mensen waargenomen, maar ook bij zoogdieren, waaronder apen en knaagdieren.
Hoewel dergelijke ruimtelijke patronen van gecorreleerde activering consequent zijn gedetecteerd in neuroimaging-centra over de hele wereld, was de aard van deze correlaties niet duidelijk. “We begrijpen nog niet helemaal hoe de hersenen communiceren over lange afstanden. We weten dat afgelegen gebieden signaalcorrelaties vertonen en dat ze betrokken zijn bij de hersenfunctie, maar we begrijpen de aard ervan niet helemaal’, zegt Noam Shemesh, hoofdonderzoeker van het Preklinisch MRI-laboratorium van de Champalimaud Foundation in Lissabon, en senior auteur van een studie gepubliceerd op 6 februari 2023 in het tijdschrift <span class="glossaryLink" aria-describedby="tt" data-cmtooltip="
Natuurcommunicatie
” data-gt-translate-attributen=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Natuurcommunicatie.
« In deze studie wilden we begrijpen wat er onder die correlaties ligt en de betrokken mechanismen onderzoeken », benadrukt Shemesh.
Een aantal theoretische werken had voorgesteld dat deze patronen konden worden verklaard door staande golven (waarvan de pieken en dalen niet in de ruimte bewegen) die resoneren in de hersenstructuur – dat wil zeggen door golven analoog aan de trillingsmodi in muziekinstrumenten. Maar er was weinig experimenteel bewijs om deze hypothese te ondersteunen vanwege de slechte temporele resolutie van fMRI, die slechts een of twee beelden per seconde bereikt. « Als we zouden kunnen ontdekken dat de ruimtelijke patronen oscilleren, zou dit bewijs leveren dat de resonantiehypothese ondersteunt », zegt Joana Cabral, eerste auteur van de studie, van het Life and Health Sciences Research Institute van de Universiteit van Minho en een bezoekende wetenschapper in Shemesh’s laboratorium sinds 2019.
[embedded content]
De video laat zien dat hersenactiviteit die met fMRI is vastgelegd, kan worden gereconstrueerd als de superpositie van een klein aantal macroscopische stationaire golven, of resonantiemodi, die in de tijd oscilleren. Krediet: Joana Cabral
Dus wat het team deed, was de beeldacquisitie versnellen, en ze ontdekten dat de signalen in verre hersengebieden in de tijd samen oscilleren. “Deze oscillerende patronen zien eruit als een hoger-dimensionale analoog van resonantiemodi in muziekinstrumenten; ze lijken op weerkaatsingen, op echo’s in de hersenen’, zegt Cabral.
« Onze gegevens laten zien dat de complexe ruimtelijke patronen het resultaat zijn van voorbijgaande en onafhankelijk oscillerende onderliggende modi, net zoals individuele instrumenten deelnemen aan het creëren van een complexer stuk in een orkest », zegt Shemesh. « De verschillende modi, die elk iets bijdragen aan het totaalbeeld op verschillende tijdschalen en verschillende golflengten, kunnen bij elkaar worden opgeteld, waardoor complexe macroscopische patronen ontstaan die vergelijkbaar zijn met de patronen die experimenteel zijn waargenomen. » [see below]. Voor zover wij weten, is dit de eerste keer dat hersenactiviteit die met fMRI is vastgelegd, wordt gereconstrueerd als de superpositie van staande golven”, legt hij uit.
De nieuwe studie wijst dus sterk op een sleutelrol voor deze resonerende golven, of modi, in de hersenfunctie. Deze resonerende verschijnselen, zo menen de auteurs, liggen aan de basis van de coherente, gecoördineerde hersenactiviteit die nodig is voor een normale hersenfunctie als geheel.
Ultrasnelle MRI
De onderzoekers ontdekten de resonantiemodi bij ratten in rusttoestand, wat betekent dat de dieren niet werden blootgesteld aan een specifieke externe prikkel. Er waren inderdaad geen taken nodig, want zoals reeds vermeld, zelfs als wij (en zoogdieren in het algemeen) niets in het bijzonder doen, blijven onze hersenen spontane activiteitspatronen genereren die kunnen worden vastgelegd door fMRI.
Om de oscillaties te visualiseren, maakten de onderzoekers ‘video’s’ van activiteit met behulp van de krachtige experimentele MRI-scanner met ultrahoog veld in het laboratorium van Shemesh en voerden ze ultrasnelle experimenten uit die enige tijd geleden door dat laboratorium voor andere doeleinden waren ontwikkeld.
« Noam en ik ontmoetten elkaar in 2019 en we besloten om opnames van hersenactiviteit te maken met de maximale temporele resolutie die we konden bereiken in de 9,4 Tesla-scanner in zijn laboratorium », herinnert Cabral zich. ‘Noam heeft de experimenten ontworpen, Francisca Fernandes [the third author of the study] voerde ze uit en ik deed de data-analyse en de visualisatie. Noam slaagde erin om een temporele resolutie van 26 beelden per seconde te bereiken en zo 16.000 beelden per scan van 10 minuten te verkrijgen (in plaats van 600 beelden bij de typische resolutie van één beeld per seconde).”
Als golven in de oceaan
« Toen we voor het eerst de video’s van de geregistreerde hersenactiviteit zagen, zagen we duidelijke golven van activiteit, zoals golven in de oceaan, die zich voortplantten in complexe patronen in de cortex en het striatum. [a subcortical region of the forebrain]’, zegt Cabral. « En we ontdekten dat de signalen konden worden beschreven door de superpositie van een klein aantal macroscopische stationaire golven, of resonantiemodi, die in de tijd oscilleerden. Met name bleek dat elke staande golf uitgestrekte delen van de hersenen bedekte, met pieken verdeeld over verschillende corticale en subcorticale structuren, die functionele netwerken vormden.”
De onderzoekers experimenteerden met ratten in drie verschillende omstandigheden: verdoofd, licht verdoofd en diep verdoofd. (In feite werden de dieren licht verdoofd in de rusttoestand, om enig ongemak voor hen te voorkomen.) « De ruimtelijke configuratie van deze stationaire golven was zeer consistent bij ratten die in dezelfde toestand werden gescand », legt Cabral uit.
Shemesh voegt toe: « We hebben aangetoond dat hersenfunctionele netwerken worden aangedreven door resonantieverschijnselen. Dit verklaart de correlaties die anders worden waargenomen wanneer u langzame beeldvorming uitvoert. Herseninteracties over lange afstand worden beheerst door een ‘stroom’ van informatie die oscillerend en repetitief is. »
Pathologische toestanden
Ze ontdekten ook dat het verhogen van de hoeveelheid anestheticum het aantal, de frequentie en de duur van de resonerende stationaire golven vermindert. Zoals eerder vermeld, hebben eerdere studies aangetoond dat bepaalde patronen van hersenactivatie consistent veranderen bij bewustzijnsstoornissen. Dus dit experimentele ontwerp, zegt Cabral, was eigenlijk ook bedoeld om verschillende pathologische toestanden na te bootsen.
« Functionele netwerken lijken verstoord bij verschillende neurologische en psychiatrische stoornissen », legt ze uit. Als ze bij mensen worden bevestigd, speculeert ze, kunnen hun resultaten ook leiden tot het gebruik van resonantiemodi als biomarkers voor ziekte.
« Onze studie biedt ook een nieuwe ‘aanleiding’ in het kijken naar ziekte, » bevestigt Shemesh. « We weten dat hersenactiviteit op lange afstand sterk wordt beïnvloed door ziekte, maar we begrijpen niet waarom of hoe. Het begrijpen van het mechanisme van langeafstandsinteracties zou kunnen leiden tot een geheel nieuwe manier om ziekte te karakteriseren en hints te geven over het type behandeling dat nodig kan zijn: als een patiënt bijvoorbeeld een specifieke resonantiemodus miste, zouden we manieren willen vinden om die bepaalde modus te stimuleren.”
Er zal uiteraard meer werk nodig zijn om al deze resultaten te bevestigen, zijn de onderzoekers het erover eens, en of ze repliceerbaar zijn bij mensen. Maar « zodra we de aard van functionele netwerken beter begrijpen, kunnen we weloverwogen strategieën ontwerpen om deze netwerkpatronen te moduleren », zegt Cabral.
Dit is precies het onderwerp van het nieuwe project van de onderzoekers, « BRAINSTIM: voorspellende stimulatiestrategieën om interacties tussen hersengebieden te moduleren. » Gefinancierd door de « la Caixa » Foundation en de Portugese bank BPI, met 300.000 euro, is het een samenwerking tussen het Life and Health Sciences Institute van de Universiteit van Minho en de Champalimaud Foundation – en het doel is om de impact van verschillende farmacologische en elektromagnetische hersenstimulaties in de modulatie van deze oscillerende modi op macroschaal.
Referentie: « Intrinsieke oscillerende modi op macroschaal die functionele connectiviteit over lange afstand aansturen in de hersenen van vrouwelijke ratten gedetecteerd door ultrasnelle fMRI » door Joana Cabral, Francisca F. Fernandes en Noam Shemesh, 6 februari 2023, Natuurcommunicatie.
DOI: 10.1038/s41467-023-36025-x
