Gehirnvernetzung: Mechanismus hinter der kognitiven Kontrolle von Gedanken | 2020

Inhaltsverzeichnis:

Anonim

Drei Forscher der Abteilung für Psychologie und Gehirnforschung der UCSB - Michael Miller, Scott Grafton und Matt Cieslak - nutzten die Struktur neuronaler Netze, um die grundlegenden Regeln aufzudecken, die bestimmen, welche Teile des Gehirns am besten in der Lage sind, kognitive Kontrolle über Gedanken und Gedanken auszuüben Aktionen. Diese Studie ist die erste, die eine mechanistische Erklärung dafür liefert, wie der Frontalkortex die Kontrolle über die Billionen einzelner Neuronen ausübt, die es den Menschen ermöglichen, sich auf eine Aufgabe zu konzentrieren oder zu einer radikal anderen zu wechseln. Die Ergebnisse erscheinen heute in der Zeitschrift Naturkommunikation .

"Bestimmte Regionen Ihres Gehirns sind dazu prädisponiert, Ihre Gedanken danach zu steuern, wo sie im Verhältnis zu anderen Regionen liegen", sagte Miller, ein Psychologieprofessor der UCSB und Mitautor des Artikels. "Die Regionen am Stadtrand können eine ganz bestimmte Art von Kontrolle ausüben. Sie können das System in ferne Zustände versetzen, z. B. von der Arbeit am Arbeitsplatz zum Spielen mit Ihren Kindern."

Diese neue Forschung verbindet hochmoderne Neurowissenschaften mit dem aufstrebenden Gebiet der Netzwerkwissenschaft, das häufig zur Untersuchung sozialer Systeme verwendet wird. Mithilfe der Steuerungstheorie, die traditionell zur Untersuchung elektrischer und mechanischer Systeme verwendet wird, zeigen die Forscher, dass der frontale Kortex am Rande des Gehirns angesiedelt sein muss, um die Richtung der Gedanken und das zielgerichtete Verhalten dynamisch zu steuern.

"Wir brauchen eine grundlegende Theorie darüber, wie sich das Gehirn selbst steuert, und um dahin zu gelangen, schlagen wir vor, das Gehirn als ein technisches System zu behandeln", sagte die Senior-Autorin Danielle Bassett, Assistenzprofessorin für Innovation an der Penn's School of Engineering and Applied Science. "Die kognitive Steuerung ähnelt weitgehend der technischen Steuerung: Sie modellieren die Systemdynamik, indem Sie wichtige Punkte identifizieren. Wenn ich auf diesen einen Punkt drücke oder an diesem Hebel ziehe, kann ich eine Vorhersage darüber abgeben, wie er sich auf andere Teile des Netzwerks auswirken wird."

Durch die Anwendung von Gleichungen aus der Steuerungstheorie auf die aus Gehirnscans generierten Schaltpläne konnten die Forscher nachweisen, dass die geografischen und funktionellen Unterschiede zwischen Regionen des Gehirns zusammenhängen. Während die Analyse nicht sagen kann, ob sich die Position des Frontalkortex oder seine Rolle zuerst entwickelt hat, legt sie nahe, dass ein Teil der Fähigkeit des Frontalkortex, die Exekutivfunktion zu steuern, von seiner Entfernung zu anderen Teilen des Gehirnnetzwerks abhängt.

"Diese Studie läutet eine neue Welle der Netzwerkwissenschaft ein, die auf einer rigorosen Kontrolltheorie beruht", sagte Co-Autor Grafton, Direktor des UCSB Brain Imaging Center. "Bei der Anwendung auf die neuesten bildgebenden Verfahren für das Gehirn werden einige der Designkompromisse sichtbar, die mit der Architektur von Gehirnverbindungen verbunden sind."

Regionen, die am stärksten miteinander verbunden sind - und daher stärker netzwerkintern sind - können das Gehirn sehr gut in nahe gelegene Zustände versetzen - beispielsweise indem sie jemandem eine E-Mail schreiben oder mit dieser Person telefonieren. "Was ist besonders interessant, wenn wir uns ansehen, wo sich diese inneren Knoten befinden? Sie befinden sich alle im Standardmodus. Dies sind die Regionen, die aktiv sind, wenn Sie sich ausruhen", sagte Bassett, ein ehemaliger Postdoktorand bei Grafton's Action Labor an der UCSB. "Das ist sinnvoll, denn wenn Sie ein optimales System konstruieren, möchten Sie dessen Basislinie so einstellen, dass es an die meisten Stellen gelangt, an denen es sich problemlos bewegen lässt."

Laut Co-Autor Cieslak ist diese Art des ganzheitlichen Verständnisses der Beziehung zwischen den Standorten der Hirnregionen und ihren Rollen notwendig, um eine bessere Behandlung für Menschen zu erreichen, die aufgrund von Krankheiten oder Verletzungen ihre exekutive Funktion verloren haben. Er merkte an, dass ein derartiges grundlegendes Verständnis, wie das Gehirn seine Aktivität steuert, zu besseren Interventionen bei Erkrankungen führen könnte, die mit einer verminderten kognitiven Kontrolle verbunden sind, wie beispielsweise Autismus, Schizophrenie oder Demenz.