Kilka słów o funkcjonalnych sieciach neuronalnych

Kilka słów o funkcjonalnych sieciach neuronalnych

O tym, że nasz mózg jest siecią, wiemy nie od dziś. Blisko 100 miliardów – dokładne wyliczenie pewnie nie byłoby warte wysiłku w to włożonego – komórek nerwowych tworzy zapewne najbardziej skomplikowaną ze znanych nam we wszechświecie struktur. Neurony łączą się w lokalne sieci, które z kolei,tworzą regiony i struktury. Regiony te tworzą zaś własne sieci pod warunkiem, że są ze sobą funkcjonalnie powiązane. To jednak jeszcze nie koniec. Sieci te często są częścią znacznie większych układów. Ale po kolei.

Liczne przeprowadzone dotychczas badania z neuronem w roli głównej, przyniosły naprawdę obfite plony w postaci zrozumienia tego, jak funkcjonuje nasz mózg na poziomie komórkowym. Rozwój nieinwazyjnych metod neuroobrazowania otworzył zaś nowe, dotychczas niedostępne drogi do zrozumienia budowy i funkcji tego niezwykłego organu. Mamy teraz okazję, by przyjrzeć  się skomplikowanym relacjom pomiędzy odrębnymi, jak mogłoby się wydawać, obszarami mózgu.

Obecnie coraz częściej w odniesieniu do funkcji poznawczych i afektywnych przeprowadzana jest analiza z perspektywy systemowej. Odwołuje się ona do postrzegania funkcji psychicznych, jako wyniku procesów wzajemnie od siebie uzależnionych funkcjonalnych sieci mózgowych (Zajkowski, Jankowiak-Siuda, 2014). Systemowe podejście stanowi bardzo obiecującą alternatywę dla dominującej niegdyś w naukach neuropoznawczych perspektywy modułowej, przypisującej konkretne funkcje psychiczne do poszczególnych struktur (Zajkowski, Jankowiak-Siuda, 2014).

Przydzielanie autonomicznych roli analizowanym regionom oraz traktowanie ich jako niezależnych modułów wyspecjalizowanych w pełnieniu konkretnych funkcji zdaje się być znacznym uproszczeniem. Za przykład niech posłuży nam przednia część wyspy – aktywność tego obszaru regularnie jest odnotowywana w wielu procesach, takich jak m.in.: empatia, świadomość wizualna, percepcja czasu, rozpoznawanie muzyki czy podejmowanie ryzykownych decyzji (Craig, 2009). Co łączy te zupełnie niepowiązane ze sobą, przynajmniej na pierwszy rzut oka, procesy? Odpowiedzi na to pytanie pewnie nigdy nie poznamy, jeśli całą naszą uwagę będziemy skupiać tylko na jednej części systemu, jakim jest przednia część kory wyspy. Należy więc patrzeć szerzej.

Coraz częściej więc badacze analizują uzyskane w wyniku neuroobrazowania funkcjonalnego dane – przestrzenne wzorce aktywacji mózgu – w kategoriach sieci. Literatura naukowa obfituje w opisy wielu różnych sieci neuronalnych. W nazewnictwie panuje jednak bałagan. Wśród badaczy nie ma bowiem zgodności co do tego, jak należy sieci te nazywać – jest to zrozumiałe, choć dosyć kłopotliwe. Określenia dużych sieci neuronalnych mają zazwyczaj dwojakie pochodzenie – cześć z nich ma źródło w konstruktach psychologicznych (np. „sieć empatii”), reszta zaś wywodzi się od  naszego rozumienia budowy i funkcji mózgu (np. „sieć czołowo-ciemieniowa”). Te ostatnie są zazwyczaj wykrywane w nieobecności specyficznych procesów psychologicznych. Każdy z tych sposobów nazewnictwa ma jednak swoje ograniczenia.

Niezwykle pomocnym w poradzeniu sobie z chaosem mogłoby być narzędzie umożliwiające odniesienie wyników poszczególnych badań neuroobrazowych do dużych i dobrze poznanych sieci neuronalnych. Taka sobie „mapa mózgu” dla naukowców. Choć perspektywa istnienia takiego „przewodnika” jest jeszcze dość odległa, szwedzcy badacze postawili już pierwsze kroki na drodze urzeczywistnienia tego pomysłu.

Celów było kilka – przede wszystkim pragnęli wykazać, że w mózgu panuje hierarchiczny układ przestrzenny sieci pochodzących zarówno z konstruktów psychologicznych, jak i anatomicznych. Niezwykle złożona (dlatego właśnie na łamach tego artykułu nie będziemy się wdawać w szczegóły procedury) meta analiza badań z zakresu fMRI przeprowadzona za pomocą programu Neurosynth pozwoliła badaczom stworzyć swoiste „drzewo genealogiczne” (patrz ryc.1)  różnych sieci. W ten sposób wyodrębniono 7 grup, które następnie „rozgałęziały się” na kolejne, podrzędne grupy złożone z kilku różnych sieci – razem trzy poziomy złożoności. Może przykład: grupa o roboczej nazwie „C4”[1] związana jest z językiem i składa się na nią dwie grupy podrzędne o umownych nazwach „C4.1” oraz „C4.2”. Na każdą z tych grup składa się zaś kilka kolejnych: dla przykładu od „C4.1” odgałęzia się  – „C4.1.1”, tak zwana „sieć czytania” oraz „C4.1.2”, czyli „sieć semantyczna”.  Jest to zapewne jeden z najprostszych przykładów jednej z gałęzi na tym drzewie sieci – większość bowiem ma także kolejne poziomy i wtedy dopiero wykres ten staje się naprawdę skomplikowany.

Co jeszcze udało się wykryć badaczom? Zgodnie z przypuszczeniami, wiele z tych grup zawierało sieci pochodzące od konstruktów zarówno psychologicznych, jak i anatomicznych. Tak, grupa „C1.1.1” zawiera zarazem „sieć czołowo-ciemieniowa”, jak i tak zwaną „sieć self”. Udało się także potwierdzić przypuszczenie, że jeden i ten sam obszar przynależeć może do odrębnych sieci. Choć jest to dość powszechnie znany fakt, badacze kilkakrotnie podkreślają, że wnioskowanie typu: „aktywność obszaru x oznacza, że sieć y jest aktywna” jest poważnym błędem. Tym bardziej nieuzasadnione jest przypisywanie poszczególnym obszarom konkretnych procesów psychologicznych. Ponadto okazało się, że część odrębnych konstruktów psychologicznych (np. „sieć self” i „sieć społeczna”) w rzeczywistości odwołuje się do jednej i tej samej sieci. Powstaje więc pytanie: czy takie „mnożenie bytów” jest zasadne?

Choć badanie to prowokuje raczej do refleksji, niż daje konkretne odpowiedzi – ma jednak w sobie coś więcej: nadzieję na to, że być może już w nieodległej przyszłości powstanie narzędzie umożliwiające wprowadzenie jednolitego nazewnictwa sieci neuronalnych, a także ich skuteczne wykrywanie i rozpoznawanie. Uporządkowanie i usystematyzowanie całej dotychczasowej wiedzy na temat sieci neuronalnych już samo w sobie mogłoby być ogromnych sukcesem naukowym. Niewątpliwie jesteśmy na dobrej drodze.

Kilka słów o funkcjonalnych sieciach neuronalnych

Bibliografia

Thompson, W.H., Fransson, P. (2017). Spatial confluence of psychological and anatomical network constructs in the human brain revealed by mass meta-analysis of fMRI activation. Scientific Repoprts, 7 (44259), 1-11. doi: 10.1038/srep44259

Zajkowski, W., Janokowiak-Siuda, K. (2014). Rola sieci istotności w deficytach poznawczych i afektywnych. Neuropsychiatria i Neuropsychologia, 9 (3-4), 112-119.

 

 


[1] Ze względu na wielką różnorodność sieci w każdej grupie nadawanie im unikalnej nazwy byłoby mocno subiektywne, w ramach tego badania używa się więc, przynajmniej na tych wyższych poziomach nazw schematycznych.

W końcu chronobiologia została doceniona w ten najbardziej prestiżowy sposób – nagrodą Nobla w dziedzinie medycyny i fizjolog... czytaj więcej
Jesień to idealna pora na docenienie naszego nosa. Nie tylko jego funkcji związanej z ogrzewaniem wdychanego powietrza podcza... czytaj więcej
Wpływ ćwiczeń aerobowych na jakość połączeń neuronalnych w korze czołowej i ciemieniowej oraz ich związek z obserwowanym pozi... czytaj więcej
Większość matek traktuje zajmowanie się swoim dzieckiem jako niezwykłe doświadczenie dające poczucie satysfakcji i spełnienia... czytaj więcej