Brain Imaging hilft dabei, unsere Denkweise abzubilden

Das menschliche Gehirn ist ein äußerst kompliziertes Organ mit vielen Geheimnissen. Um das Verständnis dafür zu verbessern, wie das Gehirn Gedanken macht und steuert, haben Forscher strukturelle Bildgebungssysteme für das Gehirn in „Schaltpläne“ für Verbindungen zwischen Gehirnregionen umgewandelt.

Drei Forscher der Universität von Kalifornien, Santa Barbara, Abteilung für Psychologie und Gehirnwissenschaften (UCSB) - Michael Miller, Scott Grafton und Matt Cieslak - verwendeten die Struktur neuronaler Netze, um die Grundregeln zu lernen, die bestimmen, welche Teile des Gehirns am besten dazu in der Lage sind kognitive Kontrolle über Gedanken und Handlungen ausüben.

Diese Studie ist die erste, die eine mechanistische Erklärung dafür liefert, wie der frontale Kortex 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 in der Zeitschrift Naturkommunikation.

"Bestimmte Regionen Ihres Gehirns sind dazu prädisponiert, Ihre Gedanken basierend darauf zu steuern, wo sie im Verhältnis zu anderen Regionen liegen", sagte Miller, ein Psychologieprofessor der UCSB und Mitautor des Papiers.

„Die Regionen am Stadtrand können eine ganz bestimmte Art der Kontrolle durchführen. Sie können das System in ferne Zustände versetzen, z. B. von der Arbeit an Ihrem Arbeitsplatz zum Spielen mit Ihren Kindern. “

Diese neue Forschung verbindet modernste Neurowissenschaften mit dem aufstrebenden Gebiet der Netzwerkwissenschaft, das häufig zur Untersuchung sozialer Systeme verwendet wird.

Durch die Anwendung der Kontrolltheorie - ein Gebiet, das traditionell zur Untersuchung elektrischer und mechanischer Systeme verwendet wird - zeigen die Forscher, dass es am Rande des Gehirns erforderlich ist, dass der frontale Kortex die Richtung der Gedanken und das zielgerichtete Verhalten dynamisch steuert.

"Wir brauchen eine grundlegende Theorie darüber, wie sich das Gehirn selbst kontrolliert, und um dorthin zu gelangen, schlagen wir vor, das Gehirn als ein technisches System zu behandeln", sagte die leitende Autorin Danielle Bassett, Assistenzprofessorin für Innovation an der School of Engineering and Applied der University of Pennsylvania Wissenschaft.

„Die kognitive Kontrolle ähnelt stark der technischen Kontrolle: Sie modellieren die Dynamik des Systems, indem Sie wichtige Punkte identifizieren. Wenn ich auf dieses eine Stück drücke oder diesen Hebel ziehe, kann ich vorhersagen, wie sich dies auf andere Teile des Netzwerks auswirken wird. "

Durch Anwendung von Gleichungen der Kontrolltheorie auf die aus Gehirnscans erzeugten Schaltpläne zeigten die Forscher, dass die geografischen und funktionalen Unterschiede zwischen Regionen des Gehirns miteinander verbunden sind.

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 Hirnnetzwerks abhängt.

"Diese Studie läutet eine neue Welle der Netzwerkwissenschaft ein, die auf einer strengen Kontrolltheorie beruht", sagte Co-Autor Grafton, Direktor des Brain Imaging Center der UCSB.

"Bei der Anwendung auf hochmoderne Bildgebungsdaten für das Gehirn sehen wir einige der Design-Kompromisse, die mit der Architektur von Gehirnverbindungen verbunden sind."

Regionen, die am stärksten miteinander verbunden und daher netzwerkinterner sind, können das Gehirn sehr gut in nahe gelegene Zustände versetzen - beispielsweise vom Schreiben einer E-Mail bis zum Telefonieren mit dieser Person.

"Was besonders interessant ist, wenn wir uns ansehen, wo sich diese inneren Knoten befinden, befinden sie sich alle in" Standardmodus "-Regionen. Dies sind die Regionen, die aktiv sind, wenn Sie sich ausruhen", sagte Bassett. "Dies ist sinnvoll, denn wenn Sie ein optimales System entwickeln, möchten Sie seine Basis so platzieren, dass es an die meisten Stellen gelangt, an denen es ziemlich einfach zu erreichen ist."

Laut Co-Autor Cieslak ist diese Art des ganzheitlichen Verständnisses der Beziehung zwischen den Standorten der Gehirnregionen und ihren Rollen notwendig, um bessere Behandlungen für Menschen zu entwickeln, die aufgrund von Krankheiten oder Verletzungen die Exekutivfunktion verloren haben.

Cieslak glaubt, dass dieses grundlegende Verständnis, wie das Gehirn seine Aktivität steuert, zu besseren Interventionen bei Erkrankungen führen kann, die mit einer verminderten kognitiven Kontrolle verbunden sind, wie Autismus, Schizophrenie oder Demenz.

Quelle: Universität von Kalifornien, Santa Barbara / EurekAlert