Ein somatokognitives Aktionsnetzwerk wechselt mit Effektorregionen im motorischen Kortex
Zusammenfassung Es wurde angenommen, dass der motorische Kortex (M1) einen kontinuierlichen somatotopen Homunkulus bildet , der sich über den präzentralen Gyrus vom Fuß bis zu den Gesichtsdarstellungen erstreckt, obwohl es Hinweise auf konzentrische Funktionszonen und komplexe Aktionskarten gibt. Mithilfe präziser funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) stellen wir fest, dass der klassische Homunkulus durch Regionen mit ausgeprägter Konnektivität, Struktur und Funktion unterbrochen wird, die sich mit effektorspezifischen Bereichen (Fuß, Hand und Mund) abwechseln. Diese Intereffektorregionen weisen eine verringerte kortikale Dicke und eine starke funktionelle Konnektivität untereinander sowie mit dem cingulär-operkulären Netzwerk (CON) auf, das für physiologische Wirkung und Kontrolle, Erregung, Fehler und Schmerzen von entscheidender Bedeutung ist. Diese Interdigitalisierung motorischer Effektorregionen und derjenigen, die mit der Aktionskontrolle verbunden sind, wurde in den drei größten fMRT-Datensätzen verifiziert. Diese Ergebnisse legen zusammen mit früheren Studien, die komplexe Aktionen belegen, die durch Stimulation und Konnektivität mit inneren Organen wie dem Nebennierenmark hervorgerufen werden, nahe, dass M1 durch ein System zur Aktionsplanung für den gesamten Körper gekennzeichnet ist, das somatokognitive Aktionsnetzwerk (SCAN). . In M1 verflechten sich zwei parallele Systeme und bilden ein Integrations-Isolationsmuster: spezifische Effektorregionen (Fuß, Hand und Mund) zur Isolierung der Feinmotorik und das SCAN zur Integration von Zielen, Physiologie und Körperbewegung. |
Der unterbrochene Homunkulus, ein integriert-isoliertes Modell der Aktion und motorischen Kontrolle. a, der klassische Penfield-Homunkulus (angepasst aus Referenz 2), der eine kontinuierliche Karte des Körpers im primären motorischen Kortex darstellt. b: Im integriert-isolierten Modell der M1-Organisation werden die effektorspezifischen Funktionszonen (Fuß (grün), Hand (cyan) und Mund (orange) durch konzentrische Ringe dargestellt, wobei proximale Körperteile die relativ distalen umgeben. besser isolierbar (Finger, Zehen und Zunge). Die Intereffektorregionen (kastanienbraun) liegen an den Schnittpunkten dieser Felder und sind Teil eines somatokognitiven Aktionsnetzwerks zur integrativen und allostatischen Kontrolle des gesamten Körpers. Wie Penfields Originalzeichnung soll dieses Diagramm Organisationsprinzipien veranschaulichen und sollte nicht als genaue Karte überinterpretiert werden.
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Ruhiger Körper, ruhiger Geist, sagen Achtsamkeitspraktiker. Eine neue Studie von Forschern der Washington University School of Medicine in St. Louis zeigt, dass die Vorstellung, dass Körper und Geist untrennbar miteinander verbunden sind, mehr als eine bloße Abstraktion ist. Die Studie zeigt, dass Teile des Gehirnbereichs, die Bewegungen steuern, mit Netzwerken verbunden sind, die am Denken und Planen sowie an der Steuerung unwillkürlicher Körperfunktionen wie Blutdruck und Herzschlag beteiligt sind. Die Ergebnisse stellen eine buchstäbliche Geist-Körper-Verbindung in der Struktur des Gehirns dar.
Die am 19. April in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichte Studie könnte helfen, einige rätselhafte Phänomene zu erklären, etwa warum Angst manche Menschen dazu bringt, auf und ab zu gehen; warum die Stimulierung des Vagusnervs , der innere Organfunktionen wie Verdauung und Herzfrequenz reguliert, Depressionen lindern kann; und warum Menschen, die regelmäßig Sport treiben, von einer positiveren Lebenseinstellung berichten.
„Menschen, die meditieren, sagen, dass sie durch die Beruhigung ihres Körpers durch Atemübungen auch ihren Geist beruhigen“, sagte Erstautor Evan M. Gordon, PhD, Assistenzprofessor für Radiologie am Mallinckrodt Institute of Radiology der School of Medicine. „Solche Praktiken können zum Beispiel für Menschen mit Angstzuständen sehr hilfreich sein, aber bisher gibt es nicht viele wissenschaftliche Beweise dafür, wie sie funktionieren. Aber jetzt haben wir einen Zusammenhang gefunden. Wir haben den Ort gefunden, an dem sich der hochaktive, zielorientierte Teil Ihres Geistes mit den Teilen des Gehirns verbindet, die Atmung und Herzfrequenz steuern. „Wenn man den einen beruhigt, sollte das unbedingt Rückkopplungseffekte beim anderen haben.“
Gordon und der leitende Autor Nico Dosenbach, MD, PhD, außerordentlicher Professor für Neurologie, hatten nicht das Ziel, seit langem bestehende philosophische Fragen über die Beziehung zwischen Körper und Geist zu beantworten. Sie machten sich daran, die seit langem etablierte Karte der Gehirnbereiche, die die Bewegung steuern, mithilfe moderner bildgebender Verfahren des Gehirns zu überprüfen.
In den 1930er Jahren kartierte der Neurochirurg Wilder Penfield, MD, solche motorischen Bereiche des Gehirns, indem er kleine Elektroschocks an die freiliegenden Gehirne von Menschen abgab, die sich einer Gehirnoperation unterzogen, und deren Reaktionen aufzeichnete. Er entdeckte, dass die Stimulation eines schmalen Gewebestreifens in jeder Gehirnhälfte dazu führt, dass sich bestimmte Körperteile zusammenziehen. Darüber hinaus sind die Kontrollbereiche des Gehirns in derselben Reihenfolge angeordnet wie die Körperteile, auf die sie abzielen, wobei sich die Zehen an einem Ende jedes Streifens und das Gesicht am anderen befinden. Penfields Karte der motorischen Regionen des Gehirns, dargestellt als Homunkulus oder „kleiner Mann“ , ist zu einem festen Bestandteil neurowissenschaftlicher Lehrbücher geworden.
Gordon, Dosenbach und ihre Kollegen begannen, Penfields Arbeit mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) zu wiederholen. Sie rekrutierten sieben gesunde Erwachsene, die sich stundenlang einem fMRT-Gehirnscan unterziehen sollten, während sie sich ausruhten oder Aufgaben erledigten. Aus diesem hochdichten Datensatz erstellten sie individuelle Gehirnkarten für jeden Teilnehmer. Anschließend validierten sie ihre Ergebnisse anhand von drei großen öffentlich zugänglichen fMRI-Datensätzen: dem Human Connectome Project, der Adolescent Brain Cognitive Development Study und der UK Biobank, die zusammen Gehirnscans von etwa 50.000 Menschen enthalten.
Zu ihrer Überraschung stellten sie fest, dass Penfields Karte nicht ganz stimmte. Der Fußschalter befand sich an der Stelle, die Penfield identifiziert hatte. Das Gleiche gilt für Hände und Gesicht. Aber zwischen diesen drei Schlüsselbereichen lagen drei weitere Bereiche, die anscheinend überhaupt nicht direkt an der Bewegung beteiligt waren, obwohl sie im motorischen Bereich des Gehirns lagen.
Außerdem sahen die Nicht-Bewegungsbereiche anders aus als die Bewegungsbereiche . Sie wirkten dünner und waren eng miteinander und mit anderen Teilen des Gehirns verbunden, die an Denken, Planung, geistiger Aktivierung, Schmerzen und der Kontrolle innerer Organe und Funktionen wie Blutdruck und Herzfrequenz beteiligt sind. Andere bildgebende Experimente zeigten, dass sich nicht bewegende Bereiche zwar nicht während der Bewegung aktivieren, wohl aber, wenn die Person über eine Bewegung nachdenkt.
„All diese Zusammenhänge machen Sinn, wenn man darüber nachdenkt, wozu das Gehirn eigentlich dient“, sagte Dosenbach. „Das Gehirn ist dazu da, sich in der Umwelt erfolgreich zu verhalten, damit Sie Ihre Ziele erreichen können, ohne sich zu verletzen oder umzubringen.“ Sie bewegen Ihren Körper aus einem bestimmten Grund. Natürlich müssen motorische Bereiche mit exekutiven Funktionen und der Kontrolle grundlegender Körperprozesse wie Blutdruck und Schmerzen verbunden sein. Schmerz ist das stärkste Feedback , oder? Du tust etwas und es tut weh und du denkst: „Das werde ich nicht noch einmal machen .“
Dosenbach und Gordon nannten ihr neu identifiziertes Netzwerk das Somato (body)-Cognitive (mind) Action Network oder SCAN. Um zu verstehen, wie sich das Netzwerk entwickelte und entwickelte, scannte er die Gehirne eines Neugeborenen, eines Einjährigen und eines Neunjährigen. Sie analysierten auch Daten, die zuvor an neun Affen gesammelt worden waren. Das Netzwerk war beim Neugeborenen nicht nachweisbar, war aber beim 1-Jährigen deutlich erkennbar und beim 9-Jährigen fast erwachsen. Affen hatten ein kleineres, rudimentäreres System ohne die umfangreichen Verbindungen, die man beim Menschen sieht.
„Dies könnte als einfacheres System zur Integration von Bewegung und Physiologie begonnen haben, damit wir beispielsweise nicht ohnmächtig werden, wenn wir aufstehen“, sagte Gordon. „Aber als wir zu Organismen wurden, die viel komplexer denken und planen, wurde das System aktualisiert, um viele sehr komplexe kognitive Elemente zu verbinden.“
Hinweise auf die Existenz eines Geist-Körper-Netzwerks gibt es schon seit langem, verstreut in vereinzelten Dokumenten und ungeklärten Beobachtungen.
„Penfield war brillant, und seine Ideen waren 90 Jahre lang vorherrschend und haben einen blinden Fleck auf dem Gebiet geschaffen“, sagte Dosenbach, der auch außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik, Pädiatrie, Ergotherapie, Radiologie sowie Psychologie und Humanwissenschaften ist . Gehirn. „Als wir begannen, nach ihm zu suchen, fanden wir viele veröffentlichte Daten, die nicht mit seinen Vorstellungen übereinstimmten, und alternative Interpretationen von ihm, die ignoriert wurden. „Wir haben viele verschiedene Daten und unsere eigenen Beobachtungen gesammelt, vergrößert und synthetisiert und so eine neue Denkweise über die Verbindung von Körper und Geist entwickelt.“
Ein Netzwerk zur Geist-Körper-Integration
Im menschlichen M1 sind zwei Verhaltenskontrollsysteme durchsetzt. Ein bekanntes System besteht aus effektorspezifischen Schaltkreisen für präzise, isolierte Bewegungen hochspezialisierter Gliedmaßen (Finger, Zehen und Zunge), der Art geschickter Bewegung, die zum Sprechen oder Manipulieren von Objekten erforderlich ist. Ein zweites integratives Ergebnissystem , SCAN, ist für die Überwachung des Organismus als Ganzes wichtiger. SCAN integriert Körperkontrolle (motorisch und autonom) und Aktionsplanung, im Einklang mit der Idee, dass Aspekte der exekutiven Kontrolle auf höherer Ebene aus der Bewegungskoordination abgeleitet werden können. Der SCAN umfasst bestimmte Regionen von M1, SMA, Thalamus (VIM und CM), posteriorem Putamen und dem posturalen Kleinhirn und ist funktionell mit dACC-Regionen verbunden, die mit dem freien Willen verbunden sind , parietalen Regionen, die Bewegungsabsichten darstellen, und Inselregionen für die somatosensorische Verarbeitung. Schmerzen und interozeptive viszerale Signale.
Die offensichtliche relative Ausdehnung der SCAN-Regionen beim Menschen könnte auf eine Rolle bei komplexen, für den Menschen spezifischen Aktionen wie der Koordination der Atmung beim Sprechen und der Integration von Hand-, Körper- und Augenbewegungen beim Werkzeuggebrauch schließen lassen. . Diesem breiten Spektrum an Prozessen ist gemeinsam, dass sie integriert sein müssen, wenn ein Organismus seine Ziele durch Bewegung erreichen und gleichzeitig Verletzungen vermeiden und die physiologische Allostase aufrechterhalten soll . Der SCAN bietet ein Substrat für diese Integration und ermöglicht vorausschauende Haltungs-, Atmungs-, Herz-Kreislauf- und Erregungsänderungen vor der Aktion (z. B. Verspannungen in den Schultern, erhöhte Herzfrequenz oder „Schmetterlinge im Magen“ ).
Die Feststellung, dass Handlung und Körperkontrolle in einem gemeinsamen Schaltkreis verschmelzen, könnte helfen zu erklären, warum Geistes- und Körperzustände so häufig interagieren .
