Третичные сульки и их влияние на рассуждение: новые горизонты нейробиологии

Недавнее исследование, опубликованное в "Журнале неврологии", проливает свет на то, как маленькие бороздки на поверхности мозга — известные как третичные сульки — могут объяснить индивидуальные различия в способности к рассуждению. Ученые из Университета Калифорнии в Беркли выяснили, что глубина этих крошечных извивов в мозге детей и подростков связана с более эффективной коммуникацией между двумя областями, которые поддерживают более высокие уровни мышления: латеральной префронтальной корой и латеральной пареэтальной корой. Эти выводы предполагают, что тонкие анатомические вариации в этих извивах могли бы влиять на то, насколько эффективно разные части мозга работают вместе во время сложного мышления.

Внешний слой мозга, называемый корой головного мозга, характеризуется извитой структурой с гребнями (гирусами) и бороздками (сульками). Эти извивы позволяют большой поверхности коры уместиться в пределах черепа. Хотя большая часть исследований в области нейробиологии сосредоточена на основных сульках, которые присутствуют почти у всех, текущее исследование сосредоточено на меньших и более мелких бороздках, называемых третичными сульками. Эти сульки, как правило, более разнообразны у разных людей и находятся в ассоциативных областях мозга — регионах, которые значительно расширились в ходе эволюции человека и задействованы в сложных когнитивных процессах.

Исходя из более ранних исследований, которые показали, что определенные сульки в латеральной префронтальной коре связаны с более хорошими способностями к рассуждению у детей и подростков, исследователи предположили, что эти маленькие бороздки могут способствовать рассуждениям, влияя на структуру и функции мозговых сетей. Более конкретно, они выдвинули гипотезу, что более глубокие третичные сульки могут приближать отдалённые области мозга друг к другу, позволяя более эффективную коммуникацию — концепция, известная как центральность сети.

"Меня интересует то, как префронтальная кора, примерно передняя треть человеческого мозга, поддерживает высокоуровневые когнитивные функции, такие как рассуждение, в координации с её преданным помощником — пареэтальной корой и другими регионами”, — говорит автор исследования Сильвия Бунге, профессор психологии и член Института нейробиологии Хелен Уилс при Университете Калифорнии в Беркли.

"Я ранее изучала, как различия между людьми можно частично объяснить различиями в специфических характеристиках анатомии и функции мозга. Совсем недавно я тесно сотрудничала с моим коллегой Кевином Вайнером, нейроанатомом, который специализируется на анатомии и функции сульков, показав взаимосвязь между конкретными префронтальными сульками и результатами рассуждения."

"Здесь мы хотели дополнить эти результаты, протестировав, могут ли имеющиеся у нас взаимосвязи между глубиной сульков и результатами рассуждения быть обусловлены тем, что глубина сульков имеет значение для активности мозговых сетей."

Для этого исследователи собрали 43 нейротипичных детей и подростков в возрасте от 7 до 18 лет из более крупного исследования на развитие способности к рассуждению. Все участники были правшами и носили английский как родной язык, и их подвергли детальному нейровизуализационному исследованию во время выполнения задачи, созданной для измерения абстрактного рассуждения. Задача требовала от них анализировать паттерны между простыми формами и определять отношения как на базовом уровне (например, сравнивая формы), так и на более сложном уровне (например, определяя последовательные правила между парами форм). Исследователи также собрали структурные МРТ-сканы, чтобы точно картина сульков в мозге каждого участника.

Всего 42 сулька были вручную идентифицированы в каждой полушарии мозга, сосредоточив внимание на латеральной префронтальной и пареэтальной коре. Затем исследователи использовали данные функциональной МРТ, собранные во время рассуждения, чтобы оценить, насколько сильно каждый сулька связан с другими, фактически создавая карту функциональной связи между этими бороздками. Были использованы продвинутые аналитические методы, чтобы измерить три аспекта роли каждого сулька в мозговой сети: количество других сульков, к которым он был связан (степень), насколько часто он служил мостом между другими соединениями (между-положение), и насколько широко его соединения охватывали различные функциональные кластеры (коэффициент участия).

Одним из ключевых вопросов было то, имели ли сульки уникальные паттерны соединения, которые отличали бы их друг от друга. Ответ был положительным. Используя методы машинного обучения, команда показала, что каждый сулька имеет сильно отличительный "отпечаток соединенности", что позволяло с 96% точностью различать один сулька от другого на основе его паттерна функциональных соединений. Эта высокая различимость поддерживала идею о том, что сульки — это не просто случайные анатомические морщинки, а могут быть функционально значимыми единицами мозга.

Далее исследователи сгруппировали сульки на основе сходства их паттернов соединения. Они нашли пять основных кластеров, некоторые из которых содержали как префронтальные, так и пареэтальные сульки, а другие состояли исключительно из префронтальных сульков, ранее связанных с рассуждением. Интересно, что некоторые из этих кластеров были отличны от крупных мозговых сетей, обычно идентифицируемых в исследованиях состояния покоя мозга. Это говорит о том, что использование сульков в качестве основной единицы анализа может предложить более персонализированный и анатомически обоснованный подход к изучению работы мозга.

Ключевым выводом стало то, что в нескольких конкретных третичных сульках — включая правый pmfs-a, левый pmfs-i и левый pimfs — большая глубина была связана с высокой центральностью сети. Иными словами, эти более глубокие сульки, как правило, имели более сильные и более распределённые соединения по мозговой сети, особенно с другими важными сульками, задействованными в зрении и внимании. Эти взаимосвязи сохранялись даже после учёта возраста и движения головы, и не были вызваны исключительно близостью к другим сулькам. Выводы подтверждают идею о том, что более глубокие третичные сульки могут способствовать более высокой нейронной эффективности, облегчая более короткую и более пряму связь между ключевыми областями мозга.

"Для некоторых конкретных сульков, чем глубже сульк, тем лучше он интегрирован в сеть префронтальных и пареэтальных сульков, которые мы исследовали — то есть, чем теснее его активация была связана с несколькими другими сульками."

Эти ассоциации не были единообразны для всех сульков. Некоторые сульки с большими поверхностями, такие как сульки во внутренней пареэтальной бороздке, имели более высокие меры центральности в общем, но не показывали той же глубинной зависимости, что и третичные сульки. Также исследователи обнаружили, что связь между глубиной сульков и сетевой связностью не ограничивалась только сульками, ранее связанными с способностями к рассуждению. Например, аналогичные взаимосвязи были наблюдаемы в сульке, называемом aipsJ, который иногда используется как нейрохирургический коридор, и вновь идентифицированном сульке в пареэтальной доле, известном как slocs-v.

Эти результаты поддерживают давно существующую гипотезу о том, что индивидуальная изменчивость в анатомии сульков может играть функциональную роль в познании. Эта идея восходит к 1960-м годам, когда нейроанатом Санидас предположил, что тонкие различия в структуре сульков могут отражать и даже формировать когнитивные способности. Текущие выводы предполагают, что глубина сульков, особенно в областях, которые развиваются поздно в гестации и продолжают изменяться в детстве, может служить биомаркером для индивидуальных различий в рассуждении и, возможно, других умственных функций.

"Паттерны сульков не случайны и связаны с когнитивными способностями и функциональной организацией. Детальные индивидуальные анатомические особенности могут помочь в разработке инструментов и обоснованных гипотез для лучшего учета высокой индивидуальной изменчивости между людьми", — сказала соавтор исследования Суи Хаккинен, помощник проектного ученого.

"Мы начали исследование с гипотезой, что функциональная связность (а именно, паттерны координированной активации мозга по ряду областей) может быть тем недостающим звеном, объясняющим взаимосвязи между глубиной сульков и когницией, которые мы ранее нашли", — добавила Бунге. "Но это был совершенно открытый вопрос, найдем ли мы какую-либо связь между глубиной и функциональной связностью. Это оказался приятный сюрприз, что всё так и произошло!"

"Я была удивлена, когда узнала по анализу Суи, насколько хорошо классификатор паттернов мог различать сульки — даже небольшие, соседние сульки — друг от друга на основе их отпечатков соединенности (т.е. их паттернов связи с другими регионами). Меня также удивило, что некоторые префронтальные сульки имели более похожие функциональные отпечатки на определённые пареэтальные сульки, чем на другие префронтальные сульки."

Несмотря на свои сильные стороны, исследование имеет несколько ограничений. Объем собранных данных функциональной МРТ на каждого участника был относительно скромным, что может ограничить точность индивидуальных сетевых мер. Выборка также была ограничена детьми и подростками, что оставляет открытым вопрос о том, существуют ли аналогичные паттерны у взрослых или у людей с нейроразвивающими расстройствами. Кроме того, хотя исследование использовало строгие контрольные анализы для устранения факторов, таких как движение головы и пространственная близость, некоторые остаточные эффекты не могут быть исключены.

Будущие исследования могут расширить этот подход на другие области мозга, возрастные группы и когнитивные сферы. Метод определения мозговых сетей на основе анатомии сульков — вместо предварительно определённых областей или общих атласов мозга — может предложить более индивидуализированный способ изучения функции мозга. Это также может помочь в выявлении ранних анатомических маркеров для когнитивных сильных и слабых сторон, потенциально информируя образование, клинические вмешательства и диагностику на основе нейробиологии.

Исследование "Привязка функциональной связности к индивидуальной морфологии сульков предоставляет новые идеи в педиатрическом исследовании рассуждения" было написано Суи Хаккинен, Уиллой I. Вурхий, Итаном Х. Уилбрандом, И-Хен Тсай, Томасом Ганантом, Джевелией К. Яо, Кевином С. Вайнером и Сильвией А. Бунге.