Крупномасштабные сети мозга представляют собой совокупность широко распространенных областей мозга, демонстрирующих функциональную взаимосвязь посредством статистического анализа сигнала ФМРТ BOLD [1] или других методов регистрации, таких как ЭЭГ , [2] ПЭТ [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 дискретных областей мозга, которые, как говорят, «функционально связаны». Функциональные сети связи могут быть найдены с использованием таких алгоритмов, как кластеризация, пространственно- 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 находится в «состоянии покоя»), крупномасштабная сеть мозга представляет собой сеть состояния покоя (RSN). Как физическая система с графоподобными свойствами [6] крупномасштабная сеть мозга имеет как узлы, так и ребра, и ее нельзя идентифицировать простой совместной активацией областей мозга. В последние десятилетия анализ мозговых сетей стал возможным благодаря достижениям в методах визуализации, а также новым инструментам из теории графов и динамических систем .
Крупномасштабные мозговые сети идентифицируются по их функциям и обеспечивают согласованную основу для понимания познания , предлагая нейронную модель того, как возникают различные когнитивные функции, 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 с режимом по умолчанию и сеть с положительными задачами , но самые последние анализы показывают несколько сетей, от небольшой группы до 17. [8] Перечислены наиболее распространенные и стабильные сети. ниже. Регионы, участвующие в функциональной сети, могут динамически реконфигурироваться. [5] [10]
Нарушения активности в различных сетях связаны с психоневрологическими расстройствами, такими как депрессия , болезнь Альцгеймера , расстройство аутистического спектра , шизофрения и биполярное расстройство . [11]
Базовые сети
Поскольку сети мозга можно идентифицировать с разным разрешением и с разными нейробиологическими свойствами, не существует универсального атласа сетей мозга, подходящего для всех обстоятельств. [13] Признавая эту проблему, Уддин, Йео и Спренг предложили в 2019 году [14], что следующие шесть сетей должны быть определены как базовые сети на основе конвергентных данных из нескольких исследований [15] [8] [16] для облегчения коммуникации. между исследователями.
Медиальный лобно-теменный (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 сосредотачиваются на внешних визуальных сигналах. Это наиболее широко исследуемая сеть. [6] [10] [17] [1] [18] [19] [12] [8] [20] [21]
Midcingulo-Insular (выступ)
- 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 значимости внешних входных сигналов и внутренних событий мозга. [1] [6] [10] [18] [12] [8] [20] В частности, он помогает направлять внимание, выявляя важные биологические и когнитивные события. [23] [21]
- Эта сеть включает вентральную сеть внимания, которая в первую очередь включает височно-теменное соединение и вентральную лобную кору правого полушария. [14] [24] Эти области реагируют на неожиданно возникающие поведенческие стимулы. [24] Вентральная сеть внимания подавляется во время сосредоточенного внимания, при котором используется обработка сверху вниз, например, при визуальном поиске чего-либо. Такой ответ может помешать отвлечению целенаправленного внимания на нерелевантные стимулы. Он снова становится активным, когда цель или соответствующая информация о цели найдена. [24] [25]
Дорсальный лобно-теменный (внимание)
- Эта сеть участвует в добровольном распределении внимания сверху вниз. [1] [18] [19] [8] [20] [24] [26] Внутри дорсальной сети внимания интрапеменная борозда и лобные поля глаза влияют на зрительные области мозга. Эти влияющие факторы позволяют направить внимание. [27] [24] [21]
Боковой лобно-теменной (контроль)
- Эта сеть инициирует и модулирует когнитивный контроль и включает 18 подобластей мозга. [28] Существует сильная корреляция между подвижным интеллектом и вовлечением лобно-теменной сети в другие сети. [29]
Перицентральный (сомато-моторный)
- Эта сеть обрабатывает соматосенсорную информацию и координирует движение. [12] [8] [20] [10] [18] слуховой коры головного мозга могут быть включены. [14] [8]
Затылочный (визуальный)
- Эта сеть занимается обработкой визуальной информации. [30]
Другие сети
Различные методы и данные выявили несколько других мозговых сетей, многие из которых сильно перекрываются или являются подмножествами более хорошо охарактеризованных базовых сетей. [14]
- Лимбическая [10] [8] [21]
- Слуховые [18] [12]
- Правый / левый руководитель [18] [12]
- Мозжечок [19] [12]
- Пространственное внимание [1] [6]
- Язык [6] [26]
- Боковое зрение [18] [19] [12]
- Временной [8] [20]
- Визуальное восприятие / образы [26]
Смотрите также
- Комплексная сеть
Рекомендации
- ^ a b c d e 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 : 2016PNAS..113..428R . DOI : 10.1073 / pnas.1513752113 . PMC 4720331 . PMID 26712010 .
- ^ Фостер, Бретт Л .; Парвизи, Йозеф (2012-03-01). «Покоящиеся колебания и кросс-частотная связь в заднемедиальной коре человека» . NeuroImage . 60 (1): 384–391. DOI : 10.1016 / j.neuroimage.2011.12.019 . ISSN 1053-8119 . PMC 3596417 . PMID 22227048 .
- ^ 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 : 2008NYASA1124 .... 1B . DOI : 10.1196 / анналы.1440.011 . ISSN 1749-6632 . PMID 18400922 . S2CID 3167595 .
- ^ 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 . DOI : 10.1073 / pnas.1112685108 . ISSN 0027-8424 . PMC 3189080 . PMID 21930901 .
- ^ а б Петерсен, Стивен; Спорнс, Олаф (октябрь 2015 г.). «Мозговые сети и когнитивные архитектуры» . Нейрон . 88 (1): 207–219. DOI : 10.1016 / j.neuron.2015.09.027 . PMC 4598639 . PMID 26447582 .
- ^ а б в г д е Бресслер, Стивен Л .; Менон, Винод (июнь 2010 г.). «Крупномасштабные сети мозга в познании: новые методы и принципы» . Тенденции в когнитивных науках . 14 (6): 233–290. DOI : 10.1016 / j.tics.2010.04.004 . PMID 20493761 . S2CID 5967761 . Проверено 24 января +2016 .
- ^ Бресслер, Стивен Л. (2008). «Нейрокогнитивные сети» . Scholarpedia . 3 (2): 1567. Bibcode : 2008SchpJ ... 3.1567B . DOI : 10,4249 / scholarpedia.1567 .
- ^ Б с д е е г ч я J 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 внутренней функциональной связности» . Журнал нейрофизиологии . 106 (3): 1125–1165. Bibcode : 2011NatSD ... 2E0031H . DOI : 10,1152 / jn.00338.2011 . PMC 3174820 . PMID 21653723 .
- ^ 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. DOI : 10,3389 / fnsys.2011.00037 . PMC 3109774 . PMID 21687724 .
- ^ а б в г д Бассет, Даниэлла; Бертолеро, Макс (июль 2019). «Как материя становится разумом» . Scientific American . 321 (1): 32 . Проверено 23 июня 2019 .
- ^ Менон, Винод (09.09.2011). «Крупномасштабные сети мозга и психопатология: объединяющая тройная сетевая модель» . Тенденции в когнитивных науках . 15 (10): 483–506. DOI : 10.1016 / j.tics.2011.08.003 . PMID 21908230 . S2CID 26653572 .
- ^ Б с д е е г ч Гейне, Лизетт; Содду, Андреа; Гомес, Франциско; Ванхауденхейз, Одри; Тшибанда, Луаба; Тоннард, Мари; Чарланд-Вервиль, Ванесса; Кирш, Мюриэль; Лорис, Стивен; Демерци, Афина (2012). «Сети состояния покоя и сознание. Изменения связности множественных сетей состояния покоя в физиологических, фармакологических и патологических состояниях сознания» . Границы психологии . 3 : 295. DOI : 10.3389 / fpsyg.2012.00295 . PMC 3427917 . PMID 22969735 .
- ^ Айкхофф, SB; Йео, BTT; Генон, С (ноябрь 2018 г.). «Части человеческого мозга на основе изображений». Обзоры природы. Неврология . 19 (11): 672–686. DOI : 10.1038 / s41583-018-0071-7 . PMID 30305712 .
- ^ а б в г Уддин, LQ; Йео, BTT; Спренг, РН (ноябрь 2019 г.). «На пути к универсальной таксономии макромасштабных функциональных сетей человеческого мозга» . Топография мозга . 32 (6): 926–942. DOI : 10.1007 / s10548-019-00744-6 . PMC 7325607 . PMID 31707621 .
- ^ Doucet, GE; Ли, WH; Франгу, S (15.10.2019). «Оценка пространственной изменчивости в основных сетях состояния покоя через функциональные атласы человеческого мозга» . Картирование человеческого мозга . 40 (15): 4577–4587. DOI : 10.1002 / hbm.24722 . PMC 6771873 . PMID 31322303 .
- ^ Смит, С.М.; Fox, PT; Миллер, KL; Глан, округ Колумбия; Fox, PM; Маккей, CE; Филиппини, N; Уоткинс, KE; Торо, Р; Laird, AR; Бекманн, CF (2009-08-04). «Соответствие функциональной архитектуры мозга при активации и отдыхе» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (31): 13040–5. DOI : 10.1073 / pnas.0905267106 . PMC 2722273 . PMID 19620724 .
- ^ Бакнер, Рэнди Л. (15 августа 2012 г.). «Случайное открытие сети мозга по умолчанию». NeuroImage . 62 (2): 1137–1145. DOI : 10.1016 / j.neuroimage.2011.10.035 . ISSN 1053-8119 . PMID 22037421 . S2CID 9880586 .
- ^ Б с д е е г 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. DOI : 10.1007 / s00429-015-1018-7 . PMC 6363530 . PMID 25924563 .
- ^ а б в г Белл, Питер Т .; Шайн, Джеймс М. (9 ноября 2015 г.). «Оценка конвергенции крупномасштабных сетей в функциональном коннектоме человека». Связь мозга . 5 (9): 565–74. DOI : 10,1089 / brain.2015.0348 . PMID 26005099 .
- ^ а б в г д 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 модулирует стабильность и интеграцию внутренних мозговых сетей» . Кора головного мозга . 29 (1): 397–409. DOI : 10.1093 / cercor / bhy264 . PMC 6294404 . PMID 30357316 .
- ^ а б в г 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 развития нервной системы . 10 (1): 37. DOI : 10,1186 / s11689-018-9251-г . PMC 6291929 . PMID 30541433 .
- ^ Стеймке, Роза; Номи, Джейсон С .; Калхун, Винс Д .; Стелзель, Кристина; Пашке, Лена М .; Гашлер, Роберт; Гошке, Томас; Уолтер, Хенрик; Уддин, Лучина К. (01.12.2017). «Важность сетевой динамики, лежащей в основе успешного сопротивления искушению» . Социальная когнитивная и аффективная нейробиология . 12 (12): 1928–1939. DOI : 10.1093 / сканирование / nsx123 . ISSN 1749-5016 . PMC 5716209 . PMID 29048582 .
- ^ а б Менон, В. (2015-01-01), "Salience сеть" , в Тога, Артур У. (ред.), Brain Mapping , Academic Press, стр 597-611,. Дои : 10.1016 / B978-0-12- 397025-1.00052-X , ISBN 978-0-12-397316-0, получено 08.12.2019
- ^ а б в г д Фоссель, Симона; Гэн, Джой Дж .; Финк, Гереон Р. (2014). «Дорсальные и вентральные системы внимания: отдельные нейронные цепи, но совместные роли» . Невролог . 20 (2): 150–159. DOI : 10.1177 / 1073858413494269 . PMC 4107817 . PMID 23835449 .
- ^ Шульман, Гордон Л .; МакЭвой, Марк П .; Коуэн, Мелани С.; Астафьев, Сергей В .; Пижма, 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. DOI : 10,1152 / jn.00343.2003 . ISSN 0022-3077 . PMID 12917383 .
- ^ а б в 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. DOI : 10,1089 / brain.2019.0679 . PMC 6775495 . PMID 31144523 .
- ^ Фокс, Майкл Д .; Корбетта, Маурицио; Снайдер, Абрахам З .; Винсент, Джастин Л .; Райхл, Маркус Э. (27.06.2006). «Спонтанная нейронная активность различает дорсальную и вентральную системы внимания человека» . Труды Национальной академии наук . 103 (26): 10046–10051. Bibcode : 2006PNAS..10310046F . DOI : 10.1073 / pnas.0604187103 . ISSN 0027-8424 . PMC 1480402 . PMID 16788060 .
- ^ Сколари, Миранда; Зайдл-Раткопф, Катарина Н; Кастнер, Сабина (01.02.2015). «Функции лобно-теменной сети внимания человека: данные нейровизуализации» . Текущее мнение в поведенческих науках . Когнитивный контроль. 1 : 32–39. DOI : 10.1016 / j.cobeha.2014.08.003 . ISSN 2352-1546 . PMC 4936532 . PMID 27398396 .
- ^ Марек, Скотт; Дозенбах, Нико УФ (июнь 2018 г.). «Лобно-теменная сеть: функция, электрофизиология и важность индивидуального точного картирования» . Диалоги в клинической неврологии . 20 (2): 133–140. DOI : 10,31887 / DCNS.2018.20.2 / smarek . ISSN 1294-8322 . PMC 6136121 . PMID 30250390 .
- ^ Ян, Ян-ли; Дэн, Хун-ся; Син, Гуй-янь; Ся, Сяо-луань; Ли, Хай-фан (2015). «Функциональная связь мозга с сетью, основанная на визуальной задаче: области мозга, связанные с обработкой визуальной информации, значительно активизируются в состоянии задачи» . Исследование нейронной регенерации . 10 (2): 298–307. DOI : 10.4103 / 1673-5374.152386 . PMC 4392680 . PMID 25883631 .