Hvad sker der, når hjernens netværk fejler?

❚ Hjernens Netværk

Hjernen er et forbløffende og komplekst organ, der håndterer den måde vi tænker, føler, lærer, kommunikerer og opfører os. Men hvordan er det muligt for den at håndtere så mange funktioner i betragtning af, at den kun vejer omkring halvandet kilo?

Hvis man kigger dybere ind i dens kerne, kan man se, at den indeholder over en milliard neuroner, der er forbundet med over en milliard synapser på tværs af mange hjerneregioner. Dette meget komplekse system kommunikerer med strømninger gennem hele hjernen for at drive kroppen.

Hjernen er typisk opdelt i regioner, som hver især har et vis specialiseringsniveau inden for informationsbehandling og driver specifik fysiologisk og kognitiv adfærd. Selvom forskellige regioner i hjernen behandler forskellige oplysninger, kommunikerer de også med hinanden på tværs for at udføre komplekse opgaver, der involverer to eller flere regioner. Disse interaktioner er omdrejningspunktet for studier af hjernens netværk, der sigter mod at forstå, hvordan og hvor i hjernen information behandles⁽¹⁻⁶⁾.

Hvad er hjernens netværk?

Hjernen fungerer som et multi-skala kredsløbssystem. Hjernens grundlæggende komponent er dens neuroner, der er forbundet og organiseret i flere niveauer. Når en gruppe neuroner på tværs af regioner deler lignende aktivitetsmønstre på koordineret vis for at udføre en funktion, kan disse betragtes som et hjernenenetværk⁽²⁻⁴⁻⁶⁾. Hjernens netværk kategoriseres ofte som enten strukturelle (anatomiske) eller funktionelle netværk. For at udføre sine funktioner, skal hjernen ikke blot være godt forbundet, men den må også fungere synkroniseret (fyring i koordination)⁽⁴⁻⁵⁾.

Suárez, Laura E. et al. “Linking Structure and Function in Macroscale Brain Networks.” Trends in Cognitive Sciences 24 (2020): 302-315.

❚ ❚ Strukturelle netværk

Strukturelle netværk er den faktiske ledningsføring af de områder, hvor en hjernefunktion finder sted. Det er de strukturer, hvorigennem elektricitet (signaler og information) bevæger sig fra neuron til neuron og fra et hjerneområde til et andet⁽⁴⁾. 

❚ ❚ Funktionelle netværk

Funktionelle netværk kan forklares som resultatet af sammenhængen i aktivering af forskellige områder af hjernen, når den udfører en opgave. Når mere end ét hjerneområde er aktivt eller viser den samme type respons samtidigt, kan det forstås som et funktionelt netværk. Disse funktionelle netværk er ikke nødvendigvis knyttet til de strukturelle netværk⁽⁴⁻⁵⁾.

De anatomiske forbindelser mellem aktive regioner udgør ledningerne, som bærer signaler mellem funktionelt korrelerede områder. Men blot at betragte de funktionelle netværk som en repræsentation af de strukturelle netværk er tilsyneladende ikke tilstrækkeligt til at forklare den kompleksitet, der udgør de funktionelle relationer på tværs af hjerneområder. Det er mere tænkeligt at forstå et funktionelt netværk som et resultat af flere funktionelle interaktioner genereret langs de mange strukturelle stier i mere end en region⁽⁴⁾. 

Men forudsat at funktionelle korrelationer er direkte relateret til specifikke anatomiske netværk, ser det ud til ikke at forklare kompleksiteten af ​​disse funktionelle forhold på tværs af hjerneområder.

Influence of the identified regions as shown by their connectivity in tractography. Regions that showed the highest structure–function agreement in between probabilistic trackings and full correlations are visualized as the solid regions in yellow. Only fibers that connect to these regions are displayed and color-coded for their traversing direction (xyz mapping to rgb). Fibers of the cingulum bundle connect precuneal regions to the medial prefrontal cortex, inferior longitudinal fascicle to the temporal lobes. Interhemispheric connectivity is mediated via the corpus callosum.

❚ Hvad sker der, når hjernens netværk ikke fungerer?

Vi ved nu, at hjernens netværk er de anatomiske grunde, og de forklarer de overordnede mekanismer for hjernefunktioner. Det er blevet påvist, at netværksdysfunktioner er til stede i mange hjernesygdomme. Dysfunktionerne varierer i årsager, typer og i klinisk manifestation (for mere information, se: A network dysfunction perspective on neurodegenerative diseases).

Nogle forbindelses- og organisationsdysfunktioner forekommer i tidligere veludviklede og velfungerende hjerner hos voksne.

• For eksempel i forbindelse med Alzheimers sygdom har det vist sig, at langdistance forbindelser og netværkseffektivitet reduceres, hvilket resulterer i tab af integreret kapacitet. Derudover påvirkes nøgle strukturelle områder, der forbinder funktionelle og anatomiske netværk (netværksnav) selektivt af ophobning af proteiner, hvilket resulterer i unormale forbindelser, manifesteret i kognitive og adfærdsmæssige symptomer. En anden mekanisme og årsag til netværksdysfunktion observeres i multipel sklerose, hvor neuronale axoner mister myelin på grund af autoimmune problemer, hvilket fører til vanskeligheder med at transportere signaler fra punkt A til punkt B.
• Andre sygdomme inden for denne kategori er Parkinsons sygdom, Huntingtons sygdom, Sen livslid demens, blandt andre⁽⁴⁻⁵⁾.

Nogle netværksdysfunktioner er konsekvensen af ​​unormal hjerneudvikling.

• For eksempel er netværksabnormaliteter beskrevet hos patienter diagnosticeret med eller med høj risiko for skizofreni. Årsagerne til atypisk netudvikling undersøges i øjeblikket.
• Andre sygdomme i denne kategori er, Attention Deficit Hyperactivity Disorder, bipolar lidelse, obsessiv-kompulsiv lidelse⁽⁵⁾. 

❚ Referencer

1. Masud Husain, Targeting network dysfunction in neurodegenerative diseases, Brain, Volume 142, Issue 12, December 2019, Pages 3661–3662, https://doi.org/10.1093/brain/awz347
2. Vanasse, T.J., Fox, P.T., Fox, P.M. et al. Brain pathology recapitulates physiology: A network meta-analysis. Commun Biol 4, 301 (2021). https://doi.org/10.1038/s42003-021-01832-9
3. Palop, J., Chin, J. & Mucke, L. A network dysfunction perspective on neurodegenerative diseases. Nature 443, 768–773 (2006). https://doi.org/10.1038/nature05289
4. Petersen SE, Sporns O. Brain Networks and Cognitive Architectures. Neuron. 2015;88(1):207-219. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2015.09.027 
5. Bullmore, E., Sporns, O. The economy of brain network organization. Nat Rev Neurosci 13, 336–349 (2012). https://doi.org/10.1038/nrn3214
6. Chapter 1 – An Introduction to Brain Networks, Editor(s): Alex Fornito, Andrew Zalesky, Edward T. Bullmore. Fundamentals of Brain Network Analysis. Academic Press, 2016, Pages 1-35. ISBN 9780124079083, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-407908-3.00001-7.
7. Horn, A., Wenzel, G., Irmen, F., Huebl, J., Li, N., Neumann, W. J., … & Kühn, A. A. (2019). Deep brain stimulation induced normalization of the human functional connectome in Parkinson’s disease. Brain, 142(10), 3129-3143. 
8. Cognito Therapeutics to Advance Digital Therapeutic for Alzheimer’s into Pivotal Studies Based on Positive Clinical Results Announced at AD/PD 2021. (https://www.businesswire.com/news/home/20210317005172/en/Cognito-Therapeutics-to-Advance-Digital-Therapeutic-for-Alzheimer%E2%80%99s-into-Pivotal-Studies-Based-on-Positive-Clinical-Results-Announced-at-ADPD-2021) 
9. Martorell, A. J., Paulson, A. L., Suk, H. J., Abdurrob, F., Drummond, G. T., Guan, W., … & Tsai, L. H. (2019). Multi-sensory gamma stimulation ameliorates Alzheimer’s-associated pathology and improves cognition. Cell, 177(2), 256-271.
10. Adaikkan, C., Middleton, S. J., Marco, A., Pao, P. C., Mathys, H., Kim, D. N. W., … & Tsai, L. H. (2019). Gamma entrainment binds higher-order brain regions and offers neuroprotection. Neuron, 102(5), 929-943