Крупномасштабные сети мозга - Large-scale brain networks

Крупномасштабные сети мозга коллекции широко распространенных области мозга показывая функциональная связь статистическим анализом фМРТ Жирный сигнал[1] или другие методы записи, такие как ЭЭГ,[2] ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ[3] и МЭГ.[4] Возникающая парадигма в нейробиологии заключается в том, что когнитивные задачи выполняются не отдельными областями мозга, работающими изолированно, а сетями, состоящими из нескольких отдельных областей мозга, которые, как говорят, «функционально связаны». Функциональные сети связи можно найти с помощью таких алгоритмов, как кластеризация, пространственная независимый компонентный анализ (ICA), на основе семян и другие.[5] Синхронизированные области мозга также можно идентифицировать с помощью длительной синхронизации ЭЭГ, МЭГ или других динамических сигналов мозга.[6]

Набор идентифицированных областей мозга, которые связаны вместе в крупномасштабную сеть, зависит от когнитивной функции.[7] Когда когнитивное состояние не является явным (т. Е. Субъект "отдыхает"), крупномасштабная сеть мозга является состояние покоя сеть (RSN). Как физическая система с графоподобными свойствами,[6] крупномасштабная сеть мозга имеет как узлы, так и края, и ее нельзя идентифицировать просто путем совместной активации областей мозга. В последние десятилетия анализ мозговых сетей стал возможным благодаря достижениям в методах визуализации, а также новым инструментам от теория графов и динамические системы.

Крупномасштабные сети мозга идентифицируются по их функциям и обеспечивают согласованную основу для понимания познание предлагая нейронную модель того, как различные когнитивные функции возникают, когда различные наборы областей мозга объединяются в самоорганизованные коалиции. Количество и состав коалиций будут варьироваться в зависимости от алгоритма и параметров, используемых для их идентификации.[8][9] В одной модели есть только сеть в режиме по умолчанию и позитивная сеть, но самый последний анализ показывает несколько сетей, от небольшой группы до 17.[8] Ниже перечислены наиболее распространенные и стабильные сети. Регионы, участвующие в функциональной сети, могут динамически реконфигурироваться.[5][10]

Нарушения деятельности в различных сетях связаны с нейропсихиатрическими расстройствами, такими как депрессия, Болезнь Альцгеймера, расстройство аутистического спектра, шизофрения и биполярное расстройство.[11]

Сети

FMRI сканирование показывает 10 крупномасштабных мозговых сетей.

Следующие семь сетей были идентифицированы по крайней мере в трех исследованиях и совпадают с семью сетями в широко цитируемой статье 2011 года Йео и др.[8]

Режим по умолчанию

Основная статья: Сеть в режиме по умолчанию
  • Сеть режима по умолчанию активна, когда человек бодрствует и отдыхает. Он предпочтительно активируется, когда люди сосредотачиваются на внутренних задачах, таких как мечтания, видение будущего, восстановление воспоминаний и теория разума. Это отрицательно коррелирует с системами мозга, которые фокусируются на внешних визуальных сигналах. Это наиболее широко исследуемая сеть.[6][10][12][1][13][14][15][8][16][17]

Дорсальное внимание

  • Эта сеть участвует в добровольном развертывании внимания и переориентации на неожиданные события.[1][13][14][8][16][18][19] Внутри дорсальной сети внимания интрапариетальная борозда и лобные поля глаза влияют на зрительные области мозга. Эти влияющие факторы позволяют направить внимание.[20][18][17]

Вентральное внимание

  • В этой сети активны три области мозга, включая зрительную кору, височно-теменное соединение, и вентральная лобная кора. Эти области реагируют на неожиданно возникающие поведенческие стимулы.[18] Вентральная сеть внимания также может быть заблокирована во время сосредоточенного внимания, в котором используется обработка сверху вниз, например, когда человек что-то ищет визуально. Эта реакция может помешать отвлечению целенаправленного внимания на нерелевантные стимулы. Он снова становится активным, когда цель или соответствующая информация о цели найдена.[18][21]
  • Другое использование парцелляции[14][18][8][16][19][17]

Заметность

Основная статья: Сеть значимости
  • Сеть выступов состоит из нескольких структур, включая переднюю (двустороннюю) островок, дорсальную переднюю поясную кору и три подкорковых структуры, которые представляют собой вентральное полосатое тело, черную субстанцию ​​/ вентральную тегментальную область.[22][23] Он играет ключевую роль в мониторинге заметность внешних входов и внутренних мозговых событий.[1][6][10][13][15][8][16] В частности, он помогает направлять внимание, выявляя важные биологические и когнитивные события.[23][17]

Лобно-теменной

Основная статья: Лобно-теменная сеть
  • Эта сеть инициирует и модулирует когнитивный контроль и включает 18 субрегионов мозга.[24] Существует сильная корреляция между подвижным интеллектом и вовлечением лобно-теменной сети в другие сети.[25]
  • Другое использование парцелляции[8][16][10][26][17]

Визуальный

  • Эта сеть занимается обработкой визуальной информации.[27]
  • Другое использование парцелляции[8][16][10][17]

Лимбический

  • Другое использование парцелляции.[10][8][17]

Также были идентифицированы несколько других сетей мозга: слуховые,[13][15] мотор[13] правый руководитель,[13][15] задний режим по умолчанию,[13] левая лобно-теменная,[14] мозжечок[14][15] пространственное внимание,[1][6] внимание,[10] язык,[6][19] левый руководитель,[15] сенсомоторная сеть,[15] соматодвигательный,[8][16][10] боковой зрительный,[13][14][15] временный,[8][16] визуальное восприятие,[19] и визуальные образы.[19]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Ридль, Валентин; Утц, Лукас; Кастрильон, Габриэль; Гриммер, Тимо; Раушекер, Йозеф П .; Ploner, Маркус; Фристон, Карл Дж .; Drzezga, Александр; Сорг, Кристиан (12 января 2016 г.). «Картирование метаболической связи показывает эффективную связь в покоящемся мозгу человека». PNAS. 113 (2): 428–433. Bibcode:2016ПНАС..113..428Р. Дои:10.1073 / pnas.1513752113. ЧВК  4720331. PMID  26712010.
  2. ^ Фостер, Бретт Л .; Парвизи, Йозеф (01.03.2012). «Покоящиеся колебания и кросс-частотная связь в заднемедиальной коре человека». NeuroImage. 60 (1): 384–391. Дои:10.1016 / j.neuroimage.2011.12.019. ISSN  1053-8119. ЧВК  3596417. PMID  22227048.
  3. ^ Бакнер, Рэнди Л .; Эндрюс ‐ Ханна, Джессика Р .; Шактер, Дэниел Л. (2008). «Сеть по умолчанию для мозга». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 1124 (1): 1–38. Bibcode:2008НЯСА1124 .... 1Б. Дои:10.1196 / летопись.1440.011. ISSN  1749-6632. PMID  18400922. S2CID  3167595.
  4. ^ Моррис, Питер Дж .; Смит, Стивен М .; Barnes, Gareth R .; Стивенсон, Мэри С .; Hale, Joanne R .; Прайс, Даррен; Luckhoo, Генри; Вулрич, Марк; Брукс, Мэтью Дж. (2011-10-04). «Исследование электрофизиологической основы сетей в состоянии покоя с помощью магнитоэнцефалографии». Труды Национальной академии наук. 108 (40): 16783–16788. Bibcode:2011PNAS..10816783B. Дои:10.1073 / pnas.1112685108. ISSN  0027-8424. ЧВК  3189080. PMID  21930901.
  5. ^ а б Петерсен, Стивен; Спорнс, Олаф (октябрь 2015 г.). «Мозговые сети и когнитивные архитектуры». Нейрон. 88 (1): 207–219. Дои:10.1016 / j.neuron.2015.09.027. ЧВК  4598639. PMID  26447582.
  6. ^ а б c d е ж Бресслер, Стивен Л .; Менон, Винод (июнь 2010 г.). «Крупномасштабные мозговые сети в познании: новые методы и принципы». Тенденции в когнитивных науках. 14 (6): 233–290. Дои:10.1016 / j.tics.2010.04.004. PMID  20493761. S2CID  5967761. Получено 24 января 2016.
  7. ^ Бресслер, Стивен Л. (2008). «Нейрокогнитивные сети». Scholarpedia. 3 (2): 1567. Bibcode:2008SchpJ ... 3.1567B. Дои:10.4249 / scholarpedia.1567.
  8. ^ а б c d е ж грамм час я j k л Йео, Б. Т. Томас; Krienen, Fenna M .; Сепулькр, Хорхе; Sabuncu, Mert R .; Лашкари, Даниал; Холлинсхед, Мариса; Роффман, Джошуа Л .; Smoller, Jordan W .; Zöllei, Lilla; Полимени, Джонатан Р .; Фишль, Брюс; Лю, Хешэн; Бакнер, Рэнди Л. (01.09.2011). «Организация коры головного мозга человека оценивается по внутренним функциональным связям». Журнал нейрофизиологии. 106 (3): 1125–1165. Bibcode:2011NatSD ... 2E0031H. Дои:10.1152 / ян.00338.2011. ЧВК  3174820. PMID  21653723.
  9. ^ Абу Эльсеуд, Ахмед; Литтоу, Харри; Ремес, Юкка; Старк, Туомо; Никкинен, Юха; Ниссила, Юусо; Тимонен, Маркку; Тервонен, Осмо; Кивиниеми1, Веса (03.06.2011). "Порядок моделей Group-ICA подчеркивает закономерности функциональной связи мозга". Границы системной нейробиологии. 5: 37. Дои:10.3389 / fnsys.2011.00037. ЧВК  3109774. PMID  21687724.
  10. ^ а б c d е ж грамм час Бассет, Даниэлла; Бертолеро, Макс (июль 2019). «Как материя становится разумом». Scientific American. 321 (1): 32. Получено 23 июн 2019.
  11. ^ Менон, Винод (09.09.2011). «Крупномасштабные сети мозга и психопатология: объединяющая тройная сетевая модель». Тенденции в когнитивных науках. 15 (10): 483–506. Дои:10.1016 / j.tics.2011.08.003. PMID  21908230. S2CID  26653572.
  12. ^ Бакнер, Рэнди Л. (15 августа 2012 г.). «Случайное открытие сети мозга по умолчанию». NeuroImage. 62 (2): 1137–1145. Дои:10.1016 / j.neuroimage.2011.10.035. ISSN  1053-8119. PMID  22037421. S2CID  9880586.
  13. ^ а б c d е ж грамм час Юань, Руи; Ди, Синь; Тейлор, Пол А .; Гохель, Сурил; Цай Юань-Сюн; Бисвал, Бхарат Б. (30 апреля 2015 г.). «Функциональная топография таламокортикальной системы человека». Структура и функции мозга. 221 (4): 1971–1984. Дои:10.1007 / s00429-015-1018-7. ЧВК  6363530. PMID  25924563.
  14. ^ а б c d е ж Белл, Питер Т .; Шайн, Джеймс М. (9 ноября 2015 г.). «Оценка конвергенции крупномасштабных сетей в функциональном коннектоме человека». Связь мозга. 5 (9): 565–74. Дои:10.1089 / brain.2015.0348. PMID  26005099.
  15. ^ а б c d е ж грамм час Гейне, Лизетт; Содду, Андреа; Гомес, Франциско; Ванхауденхейз, Одри; Тшибанда, Луаба; Тоннард, Мари; Чарланд-Вервиль, Ванесса; Кирш, Мюриэль; Лаурис, Стивен; Демерци, Афина (2012). «Сети состояния покоя и сознание. Изменения связности множественных сетей состояния покоя в физиологических, фармакологических и патологических состояниях сознания». Границы в психологии. 3: 295. Дои:10.3389 / fpsyg.2012.00295. ЧВК  3427917. PMID  22969735.
  16. ^ а б c d е ж грамм час Шафией, Голия; Зейгами, Яшар; Кларк, Кристал А .; Коул, Дженнифер Т .; Нагано-Сайто, Ацуко; Лейтон, Марко; Дагер, Ален; Мишич, Братислав (01.10.2018). «Передача сигналов дофамина регулирует стабильность и интеграцию внутренних мозговых сетей». Кора головного мозга. 29 (1): 397–409. Дои:10.1093 / cercor / bhy264. ЧВК  6294404. PMID  30357316.
  17. ^ а б c d е ж грамм Бейли, Стивен К .; Aboud, Katherine S .; Nguyen, Tin Q .; Каттинг, Лори Э. (13 декабря 2018 г.). «Применение сетевой структуры к нейробиологии чтения и дислексии». Журнал нарушений нервного развития. 10 (1): 37. Дои:10.1186 / s11689-018-9251-z. ЧВК  6291929. PMID  30541433.
  18. ^ а б c d е Фоссель, Симона; Гэн, Джой Дж .; Финк, Гереон Р. (2014). «Дорсальные и вентральные системы внимания: отдельные нейронные цепи, но совместные роли». Нейробиолог. 20 (2): 150–159. Дои:10.1177/1073858413494269. ЧВК  4107817. PMID  23835449.
  19. ^ а б c d е Хаттон, Джон С .; Дадли, Джонатан; Горовиц-Краус, Ципи; ДеВитт, Том; Холланд, Скотт К. (1 сентября 2019 г.). «Функциональная связь внимания, визуальных и языковых сетей во время аудио, иллюстрированных и анимированных историй у детей дошкольного возраста». Связь мозга. 9 (7): 580–592. Дои:10.1089 / brain.2019.0679. ЧВК  6775495. PMID  31144523.
  20. ^ Фокс, Майкл Д .; Корбетта, Маурицио; Снайдер, Абрахам З .; Винсент, Джастин Л .; Райхл, Маркус Э. (27.06.2006). «Спонтанная нейронная активность отличает дорсальную и вентральную системы внимания человека». Труды Национальной академии наук. 103 (26): 10046–10051. Bibcode:2006PNAS..10310046F. Дои:10.1073 / pnas.0604187103. ISSN  0027-8424. ЧВК  1480402. PMID  16788060.
  21. ^ Шульман, Гордон Л .; МакЭвой, Марк П .; Коуэн, Мелани С.; Астафьев, Сергей В .; Тэнси, Аарон П .; д'Авосса, Джованни; Корбетта, Маурицио (01.11.2003). «Количественный анализ сигналов внимания и обнаружения при визуальном поиске». Журнал нейрофизиологии. 90 (5): 3384–3397. Дои:10.1152 / ян.00343.2003. ISSN  0022-3077. PMID  12917383.
  22. ^ Стеймке, Роза; Номи, Джейсон С .; Калхун, Винс Д .; Стелзель, Кристина; Пашке, Лена М .; Гашлер, Роберт; Гошке, Томас; Уолтер, Хенрик; Уддин, Люцина К. (01.12.2017). «Сетевая динамика значимости, лежащая в основе успешного сопротивления искушению». Социальная когнитивная и аффективная нейробиология. 12 (12): 1928–1939. Дои:10.1093 / сканирование / nsx123. ISSN  1749-5016. ЧВК  5716209. PMID  29048582.
  23. ^ а б Менон, В. (01.01.2015), "Salience Network", в Тога, Артур В. (ред.), Картирование мозга, Academic Press, стр. 597–611, Дои:10.1016 / B978-0-12-397025-1.00052-X, ISBN  978-0-12-397316-0, получено 2019-12-08
  24. ^ Сколари, Миранда; Зайдл-Раткопф, Катарина Н; Кастнер, Сабина (01.02.2015). «Функции лобно-теменной сети внимания человека: данные нейровизуализации». Текущее мнение в области поведенческих наук. Когнитивный контроль. 1: 32–39. Дои:10.1016 / j.cobeha.2014.08.003. ISSN  2352-1546. ЧВК  4936532. PMID  27398396.
  25. ^ Марек, Скотт; Дозенбах, Нико У. Ф. (июнь 2018 г.). «Лобно-теменная сеть: функция, электрофизиология и важность индивидуального точного картирования». Диалоги в клинической неврологии. 20 (2): 133–140. Дои:10.31887 / DCNS.2018.20.2 / smarek. ISSN  1294-8322. ЧВК  6136121. PMID  30250390.
  26. ^ Занто, Теодор П .; Газзали, Адам (01.12.2013). «Лобно-теменная сеть: гибкий узел когнитивного контроля». Тенденции в когнитивных науках. 17 (12): 602–603. Дои:10.1016 / j.tics.2013.10.001. ЧВК  3873155. PMID  24129332.
  27. ^ Ян, Ян-ли; Дэн, Хун-ся; Син, Гуй-янь; Ся, Сяо-луань; Ли, Хай-фан (2015). «Функциональное сетевое соединение мозга на основе визуальной задачи: области мозга, связанные с обработкой визуальной информации, значительно активируются в состоянии задачи». Исследование нейронной регенерации. 10 (2): 298–307. Дои:10.4103/1673-5374.152386. ЧВК  4392680. PMID  25883631.