Forscher haben herausgefunden, dass die Form des Gehirns eines Menschen das Denken, Fühlen und Verhalten erheblich beeinflusst und damit die vorherrschende Betonung der komplexen neuronalen Konnektivität zunichte macht. Mithilfe von MRT-Scans und dem Prinzip der Eigenmoden fanden sie heraus, dass die Gehirnfunktion eng mit seinen geometrischen Eigenschaften zusammenhängt, ähnlich wie die Form eines Musikinstruments seinen Klang bestimmt, und eröffneten neue Möglichkeiten zur Erforschung von Gehirnfunktionen und -krankheiten.
Die Form unseres Gehirns und nicht die Interaktionen zwischen verschiedenen Regionen spielt eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung unserer Gedanken, Emotionen und Handlungen.
Seit über hundert Jahren sind Wissenschaftler davon überzeugt, dass unsere Gedanken, Gefühle und Träume durch die Art und Weise geformt werden, wie verschiedene Gehirnregionen über ein riesiges Netzwerk von Billionen zellulärer Verbindungen interagieren.
Eine aktuelle Studie unter der Leitung des Teams des Turner Institute for Brain and Mental Health der Monash University hat jedoch mehr als 10.000 verschiedene Karten der menschlichen Gehirnaktivität untersucht und herausgefunden, dass die Gesamtform des Gehirns eines Individuums einen weitaus größeren Einfluss auf unsere kognitiven Prozesse, Emotionen und unser Verhalten hat als seine komplexe neuronale Konnektivität.
Die Studie, die kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift veröffentlicht wurde, Natur vereint Ansätze aus der Physik, den Neurowissenschaften und der Psychologie, um das jahrhundertealte Paradigma zu überwinden und die Bedeutung der komplexen Gehirnkonnektivität zu betonen und stattdessen eine bisher unbeachtete Beziehung zwischen Gehirnform und -aktivität zu identifizieren.
Der Hauptautor und wissenschaftliche Mitarbeiter Dr. James Pang vom Turner Institute und der School of Psychological Sciences der Monash University sagte, die Ergebnisse seien bedeutsam, weil sie die Art und Weise, wie wir untersuchen können, wie das Gehirn funktioniert, sich entwickelt und altert, erheblich vereinfachten.
Alex Fornito (links) und James Pang untersuchten über 10.000 MRTs, um die Gehirnform zu bestimmen. Bildnachweis: Monash University
„Die Arbeit eröffnet Möglichkeiten, die Auswirkungen von Krankheiten wie Demenz und Schlaganfall zu verstehen, indem Modelle der Gehirnform berücksichtigt werden, die weitaus einfacher zu handhaben sind als Modelle der gesamten Bandbreite an Verbindungen des Gehirns“, sagte Dr. Pang.
„Wir haben lange geglaubt, dass bestimmte Gedanken oder Empfindungen Aktivität in bestimmten Teilen des Gehirns hervorrufen, aber diese Studie zeigt, dass strukturierte Aktivitätsmuster nahezu im gesamten Gehirn angeregt werden, genau wie die Art und Weise, wie eine Musiknote durch Vibrationen entsteht, die entlang der gesamten Länge einer Geigensaite auftreten, und nicht nur an einem isolierten Abschnitt“, sagte er.
Das Forschungsteam nutzte die Magnetresonanztomographie (MRT), um Eigenmoden zu untersuchen. Hierbei handelt es sich um natürliche Vibrations- oder Anregungsmuster in einem System, bei dem verschiedene Teile des Systems alle mit derselben Frequenz angeregt werden. Eigenmoden werden normalerweise zur Untersuchung physikalischer Systeme in Bereichen wie Physik und Ingenieurwesen verwendet und wurden erst kürzlich für die Untersuchung des Gehirns angepasst.
Diese Arbeit konzentrierte sich auf die Entwicklung der besten Methode zur effizienten Konstruktion der Eigenmoden des Gehirns.
„So wie die Resonanzfrequenzen einer Geigensaite durch ihre Länge, Dichte und Spannung bestimmt werden, werden die Eigenmoden des Gehirns durch ihre strukturellen – physikalischen, geometrischen und anatomischen – Eigenschaften bestimmt, aber welche spezifischen Eigenschaften am wichtigsten sind, bleibt ein Rätsel“, sagte Co-Hauptautor Dr. Kevin Aquino von BrainKey und der University of Sydney.
Das vom Turner Institute und School of Psychological Sciences ARC Laureate Fellow Professor Alex Fornito geleitete Team verglich, wie gut Eigenmoden, die aus Modellen der Gehirnform gewonnen wurden, unterschiedliche Aktivitätsmuster im Vergleich zu Eigenmoden, die aus Modellen der Gehirnkonnektivität gewonnen wurden, erklären können.
„Wir fanden heraus, dass durch die Gehirngeometrie – seine Konturen und Krümmungen – definierte Eigenmoden die stärkste anatomische Einschränkung der Gehirnfunktion darstellen, ähnlich wie die Form einer Trommel die Geräusche beeinflusst, die sie erzeugen kann“, sagte Professor Fornito.
„Mithilfe mathematischer Modelle haben wir theoretische Vorhersagen bestätigt, dass die enge Verbindung zwischen Geometrie und Funktion durch wellenartige Aktivität angetrieben wird, die sich im Gehirn ausbreitet, so wie die Form eines Teichs die Wellenwellen beeinflusst, die durch einen fallenden Kieselstein entstehen“, sagte er.
„Diese Erkenntnisse eröffnen die Möglichkeit, die Funktion des Gehirns direkt anhand seiner Form vorherzusagen, und eröffnen neue Wege zur Erforschung, wie das Gehirn zu individuellen Verhaltensunterschieden und dem Risiko für psychiatrische und neurologische Erkrankungen beiträgt.“
Das Forschungsteam stellte fest, dass in über 10.000 MRT-Aktivitätskarten, die bei der Ausführung verschiedener von Neurowissenschaftlern entwickelter Aufgaben zur Untersuchung des menschlichen Gehirns erstellt wurden, die Aktivität von Eigenmoden mit räumlichen Mustern mit sehr langen Wellenlängen dominiert wurde, die sich über Entfernungen von mehr als 40 mm erstreckten.
„Dieses Ergebnis widerspricht der herkömmlichen Meinung, wonach die Aktivität bei verschiedenen Aufgaben oft in zentralen, isolierten Bereichen erhöhter Aktivität stattfindet, und zeigt uns, dass herkömmliche Ansätze zur Gehirnkartierung möglicherweise nur die Spitze des Eisbergs darstellen, wenn es darum geht, die Funktionsweise des Gehirns zu verstehen“, sagte Dr. Pang.
Referenz: „Geometrische Beschränkungen der menschlichen Gehirnfunktion“ von James C. Pang, Kevin M. Aquino, Marianne Oldehinkel, Peter A. Robinson, Ben D. Fulcher, Michael Breakspear und Alex Fornito, 31. Mai 2023, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06098-1