1世紀にわたるパラダイムが覆されました – 神経接続よりも脳の形が重要です

研究者らは、人の脳の形状が思考、感情、行動に大きな影響を与え、複雑な神経伝達に対する一般的な焦点を覆すことを発見しました。 彼らは、MRI スキャンと自動コーディングの原理を使用して、楽器の形状が音を決定するのと同じように、脳の機能がその幾何学的特性と密接に関連していることを発見し、脳の機能と病気を調査するための新しい手段を提供しました。

私たちの思考、感情、行動に影響を与える上で、異なる領域間の相互作用ではなく脳の形状が極めて重要な役割を果たします。

100 年以上にわたり、科学者たちは、私たちの思考、感情、夢は、数兆もの細胞接続の広大なネットワークを介して脳のさまざまな領域が相互作用する方法によって形成されると信じてきました。

しかし、モナシュ大学ターナー脳・精神衛生研究所のチームが主導した最近の研究では、人間の脳の活動を示す10,000以上の異なるマップを調査し、個人の脳の一般的な形状が、複雑な神経接続よりも認知プロセス、感情、行動に大きな影響を与えていることが判明した。

この研究は最近権威ある雑誌に掲載されました。 自然 彼は物理学、神経科学、心理学からのアプローチを結集して、複雑な脳の接続の重要性を強調する100年前のパラダイムを覆し、代わりにこれまで過小評価されていた脳の形状と活動との関係を特定しました。

ターナー研究所とモナシュ大学心理科学部の筆頭著者で研究員のジェームズ・パン博士は、この研究結果は、脳がどのように機能し、発達し、老化するかを研究する方法を大幅に単純化するため、重要であると述べた。

Alex Fornetto (左) と James Pang は、重要な脳の形状を決定するために 10,000 枚以上の MRI 画像を研究しました。 クレジット: モナシュ大学

「この研究は、脳の形状のモデルを調べることで、認知症や脳卒中などの病気の影響を理解する機会をもたらします。このモデルは、脳内の一連の接続全体のモデルよりもはるかに扱いやすいのです」とパン博士は述べた。

「私たちは長い間、特定の思考や感覚が脳の特定の部分の活動を引き起こすと考えられてきましたが、この研究は、ヴァイオリンの弦の一部だけではなく全長に沿って起こる振動から音符が生まれるのと同じように、組織化された活動パターンが脳のほぼ全体にわたって刺激されることを明らかにしました」と述べた。

研究チームは、磁気共鳴画像法 (MRI) を使用して、システムの異なる部分が同じ周波数で励起される、システム内の振動または励起の自然なパターンである固有モードを研究しました。 オートモジュールは通常、物理学や工学などの分野で物理システムを研究するために使用されますが、脳の研究に適応されたのはつい最近です。

この研究は、脳の固有モードを効率的に構築する最良の方法の開発に焦点を当てました。

ブレインキーとシドニー大学の共同筆頭著者であるケビン・アキノ博士は、「バイオリンの弦の共鳴周波数がその長さ、密度、張力によって決まるのと同じように、脳の固有モードはその構造的特性（物理的、幾何学的、解剖学的）によって決定されるが、最も重要な特定の特性は謎のままである」と述べた。

ターナー研究所とARC心理科学大学院フェロー教授アレックス・フォーネットが率いる研究チームは、脳形状モデルから得られた主観的プロファイルが、脳接続モデルから得られた主観的プロファイルと比較した場合に、異なる活動パターンをどのように説明できるかを比較した。

「円柱の形状が発する音に影響を与えるのと同じように、脳の幾何学的形状、つまりその輪郭と曲率によって定義される固有モードが脳機能に対する最も強い解剖学的制約を表すことがわかりました」とフォルネット教授は述べた。

「数学的モデルを使用して、池の形状が小石の落下によって形成される波のさざ波に影響を与えるのと同じように、幾何学と機能の密接な関係が脳全体に伝播する波のような活動によって引き起こされるという理論的予測を確認しました」と彼は述べた。

「これらの発見は、脳の形状から脳の機能を直接予測できる可能性を高め、行動の個人差や精神疾患や神経疾患のリスクに脳がどのように寄与しているかを探る新たな道を切り開くものです。」

研究チームは、人間の脳を探索するために神経科学者が開発したさまざまなタスクを被験者が実行する際に得られた1万以上のMRI活動マップ全体で、活動は40ミリメートルを超える距離に広がる非常に長い波長を持つ空間パターンを持つ主観的なパターンによって支配されていることを発見した。

「この発見は、さまざまな作業中の活動は集中的で孤立した活動領域で起こると考えられることが多いという従来の通念に反しており、従来の脳マッピング方法では、脳の仕組みを理解する上で氷山の一角しか示していない可能性があることを示している」とパン博士は述べた。

参考文献：「Engineering Limitations on Human Brain Functions」James C. Pang、Kevin M. Aquino、Marian Oldenkel、Peter A. Robinson、Ben de Fulcher、Michael Breakspeare、Alex Fornetto 著、2023 年 5 月 31 日、こちらから入手可能。 自然。
DOI: 10.1038/s41586-023-06098-1