Neuroimaging-Studie zeigt, dass das Gehirn wie eine Resonanzkammer funktioniert

Es ist über 20 Jahre her, seit Neuroimaging-Studien – unter Verwendung der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI), einer weit verbreiteten Technologie zur Aufnahme von Live-Videos der Gehirnaktivität – gehirnweite komplexe Muster korrelierter Gehirnaktivität erkannt haben, die in einem weiten Bereich gestört erscheinen von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen. Diese Muster bilden sich spontan, selbst im Ruhezustand, wenn keine bestimmte Aufgabe ausgeführt wird, und wurden nicht nur beim Menschen, sondern auch bei Säugetieren, einschließlich Affen und Nagetieren, nachgewiesen.

Obwohl solche räumlichen Muster korrelierter Aktivierung in Neuroimaging-Zentren auf der ganzen Welt konsistent erkannt wurden, war die Art dieser Korrelationen nicht klar. „Wir verstehen noch nicht ganz, wie das Gehirn über große Entfernungen kommuniziert. Wir wissen, dass entfernte Bereiche Signalkorrelationen aufweisen und dass sie an der Gehirnfunktion beteiligt sind, aber wir verstehen ihre Natur nicht vollständig“, sagt Noam Shemesh, leitender Forscher des präklinischen MRI-Labors der Champalimaud-Stiftung in Lissabon und leitender Autor einer Studie, die am 6. Februar 2023 in der Zeitschrift veröffentlicht wurde <span class="glossaryLink" aria-describedby="tt" data-cmtooltip="

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„In dieser Studie wollten wir verstehen, was diesen Korrelationen zugrunde liegt, und die beteiligten Mechanismen untersuchen“, betont Shemesh.

Eine Reihe theoretischer Arbeiten hatte vorgeschlagen, dass diese Muster durch stehende Wellen (deren Gipfel und Täler sich nicht im Raum bewegen) erklärt werden könnten, die in der Gehirnstruktur mitschwingen – das heißt durch Wellen, die den Schwingungsmodi in Musikinstrumenten analog sind. Aufgrund der schlechten zeitlichen Auflösung der fMRT, die nur ein oder zwei Bilder pro Sekunde erreicht, gab es jedoch nur wenige experimentelle Beweise, um diese Hypothese zu stützen. „Wenn wir feststellen könnten, dass die räumlichen Muster oszillieren, würde dies die Resonanzhypothese stützen“, sagt Joana Cabral, Erstautorin der Studie vom Life and Health Sciences Research Institute der University of Minho und Gastwissenschaftlerin im Shemesh’s Labor seit 2019.

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Das Video zeigt, dass die mit fMRI erfasste Gehirnaktivität als Überlagerung einer kleinen Anzahl makroskopischer stationärer Wellen oder Resonanzmoden rekonstruiert werden kann, die zeitlich oszillieren. Bildnachweis: Joana Cabral


Was das Team also tat, war die Bilderfassung zu beschleunigen, und sie entdeckten, dass die Signale in entfernten Gehirnregionen tatsächlich zeitlich zusammen oszillieren. „Diese Schwingungsmuster sehen aus wie ein höherdimensionales Analogon von Resonanzmodi in Musikinstrumenten; sie ähneln Nachhall, Echos im Gehirn“, sagt Cabral.

„Unsere Daten zeigen, dass die komplexen räumlichen Muster das Ergebnis von vorübergehend und unabhängig oszillierenden zugrunde liegenden Moden sind, genau wie einzelne Instrumente an der Schaffung eines komplexeren Stücks in einem Orchester beteiligt sind“, sagt Shemesh. „Die unterschiedlichen Moden, die jeweils etwas zum Gesamtbild bei unterschiedlichen Zeitskalen und unterschiedlichen Wellenlängen beitragen, können addiert werden, wodurch komplexe makroskopische Muster erzeugt werden, die den experimentell beobachteten ähneln [siehe unten]. Unseres Wissens ist dies das erste Mal, dass die mit fMRI erfasste Gehirnaktivität als Überlagerung stehender Wellen rekonstruiert wird“, betont er.

Die neue Studie weist daher stark auf eine Schlüsselrolle dieser Resonanzwellen oder Modi für die Gehirnfunktion hin. Diese Resonanzphänomene, glauben die Autoren, sind die Wurzel der kohärenten, koordinierten Gehirnaktivität, die für eine normale Gehirnfunktion als Ganzes benötigt wird.

Ultraschnelles MRT

Die Forscher detektierten die Resonanzmoden bei Ratten im Ruhezustand, das heißt, die Tiere waren keinem bestimmten äußeren Reiz ausgesetzt. Tatsächlich waren keine Aufgaben erforderlich, denn wie bereits erwähnt, erzeugt unser Gehirn auch dann, wenn wir (und Säugetiere im Allgemeinen) nichts Besonderes tun, weiterhin spontane Aktivitätsmuster, die durch fMRI erfasst werden können.


Um die Oszillationen sichtbar zu machen, erstellten die Forscher mit dem leistungsstarken experimentellen Ultrahochfeld-MRT-Scanner in Shemeshs Labor „Videos“ von Aktivitäten und führten ultraschnelle Experimente durch, die vor einiger Zeit von diesem Labor für andere Zwecke entwickelt wurden.

„Noam und ich haben uns 2019 kennengelernt und beschlossen, Aufzeichnungen der Gehirnaktivität mit der maximalen zeitlichen Auflösung zu erhalten, die wir mit dem 9.4-Tesla-Scanner in seinem Labor erreichen konnten“, erinnert sich Cabral. „Noam hat die Experimente entworfen, Francisca Fernandes [die dritte Autorin der Studie] hat sie durchgeführt und ich habe die Datenanalyse und Visualisierung gemacht. Noam schaffte es, eine zeitliche Auflösung von 26 Bildern pro Sekunde zu erreichen und so 16,000 Bilder pro 10-Minuten-Scan zu erhalten (statt 600 Bilder bei der typischen Auflösung von einem Bild pro Sekunde).“

Wie Wellen im Ozean

„Als wir zum ersten Mal die Videos der aufgezeichneten Gehirnaktivität sahen, sahen wir klare Aktivitätswellen, wie Wellen im Ozean, die sich in komplexen Mustern innerhalb des Cortex und des Striatum [einer subkortikalen Region des Vorderhirns] ausbreiten“, sagt Cabral. „Und wir fanden heraus, dass die Signale durch die Überlagerung einer kleinen Anzahl makroskopischer stationärer Wellen oder Resonanzmoden, die zeitlich oszillieren, beschrieben werden können. Bemerkenswerterweise wurde festgestellt, dass jede stehende Welle ausgedehnte Bereiche des Gehirns abdeckt, wobei die Spitzen in verschiedenen kortikalen und subkortikalen Strukturen verteilt sind und funktionelle Netzwerke bilden.“

Die Forscher experimentierten mit Ratten unter drei verschiedenen Bedingungen: sediert, leicht anästhesiert und tief anästhesiert. (Tatsächlich wurden die Tiere im Ruhezustand leicht sediert, um jegliches Unbehagen für sie zu vermeiden.) „Die räumliche Konfiguration dieser stationären Wellen war bei Ratten, die in derselben Verfassung gescannt wurden, sehr konsistent“, betont Cabral.


Shemesh fügt hinzu: „Wir haben gezeigt, dass Gehirnfunktionsnetzwerke von Resonanzphänomenen angetrieben werden. Dies erklärt die Korrelationen, die sonst beobachtet werden, wenn Sie eine langsame Bildgebung durchführen. Weitreichende Gehirninteraktionen werden von einem „Fluss“ von Informationen gesteuert, der oszillierend und sich wiederholend ist.“

Pathologische Zustände

Sie fanden auch heraus, dass eine Erhöhung der Menge an Anästhetikum die Anzahl, Frequenz und Dauer der resonanten stationären Wellen verringert. Wie bereits erwähnt, haben frühere Studien gezeigt, dass bestimmte Muster der Gehirnaktivierung bei Bewusstseinsstörungen durchweg verändert sind. Dieses experimentelle Design, sagt Cabral, sollte also eigentlich auch verschiedene pathologische Zustände nachahmen.

„Funktionale Netzwerke scheinen bei mehreren neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen gestört zu sein“, betont sie. Wenn sie beim Menschen bestätigt werden, spekuliert sie, könnten ihre Ergebnisse auch zur Verwendung von Resonanzmodi als Biomarker für Krankheiten führen.

„Unsere Studie bietet auch einen neuen ‚Vorsprung' bei der Betrachtung von Krankheiten“, bestätigt Shemesh. „Wir wissen, dass die Langstrecken-Hirnaktivität bei Krankheiten stark beeinträchtigt wird, aber wir verstehen nicht, warum oder wie. Das Verständnis des Mechanismus langreichweitiger Wechselwirkungen könnte zu einer völlig neuen Art der Charakterisierung von Krankheiten führen und Hinweise auf die Art der möglicherweise erforderlichen Behandlung geben: Wenn beispielsweise bei einem Patienten ein bestimmter Resonanzmodus fehlt, möchten wir möglicherweise Wege finden um diesen bestimmten Modus zu stimulieren.“



Offensichtlich wird mehr Arbeit erforderlich sein, um all diese Ergebnisse zu bestätigen, sind sich die Forscher einig, und ob sie beim Menschen replizierbar sind. Aber „sobald wir die Natur funktionaler Netzwerke besser verstehen, können wir fundierte Strategien entwickeln, um diese Netzwerkmuster zu modulieren“, sagt Cabral.

Genau das ist das Thema des neuen Projekts der Forscher „BRAINSTIM: Vorhersage von Stimulationsstrategien zur Modulation von Interaktionen zwischen Hirnarealen“. Gefördert von der Stiftung „la Caixa“ und der portugiesischen Bank BPI, mit 300,000 Euro, ist es eine Zusammenarbeit zwischen dem Life and Health Sciences Institute der University of Minho und der Champalimaud Foundation – und ihr Ziel ist es, die Auswirkungen von Distinct besser zu verstehen pharmakologische und elektromagnetische Hirnstimulationen bei der Modulation dieser makroskaligen Schwingungsmoden.

Referenz: „Intrinsische oszillatorische Modi im Makromaßstab, die eine langreichweitige funktionelle Konnektivität in weiblichen Rattengehirnen antreiben, die durch ultraschnelles fMRI nachgewiesen wurden“ von Joana Cabral, Francisca F. Fernandes und Noam Shemesh, 6. Februar 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-023-36025-x