سوال اساسی در علوم اعصاب این است که دریابیم مناطق مختلف مغز چگونه با هم تعامل دارند و چقدر قوی با یکدیگر ارتباط می‌گیرند.
نتایج تحقیقات موسسه ریاضیات ماکس پلانک در علوم لایپزیگ آلمان، موسسه علوم ریاضی در چنای هند و همکارانشان نشان داد که چگونه تکنیک‌های ریاضی از تجزیه‌وتحلیل داده‌های توپولوژیکی (مکان‌شناسی) می‌توانند دیدگاهی جدید و چندمقیاسی در مورد اتصال مغز ارائه دهند.
نگاه توپولوژیکی به مغز
اکنون دانشمندان با افزایش مجموعه داده‌های تصویربرداری عصبی، با نقشه‌های دقیقی از اتصال مغز کار می‌کنند، نمایش‌های شبکه‌ای که نشان می‌دهند چگونه صدها ناحیه مغز در طول زمان نوسان و فعالیت خود را هماهنگ می‌کنند اما درک این شبکه‌های عظیم، چالشی را ایجاد می‌کند؛ چه الگوهایی مهم هستند؟ کدام تغییرات نشان‌دهنده پیری سالم هستند و کدام‌ها تفاوت‌های مرتبط با اختلال طیف اوتیسم را منعکس می‌کنند؟
این تحقیق، نوآوری ریاضی را معرفی کرد که به پاسخ دقیق این سوالات کمک می‌کند. محققان از همسانی پایدار، ابزاری از تجزیه‌وتحلیل داده‌های توپولوژیکی، برای تشخیص چگونگی سازماندهی مجدد اتصال مغز در طول پیری سالم و در اختلال طیف اوتیسم استفاده کردند.
تحلیل داده‌های توپولوژیکی، چارچوب ریاضی پیشرفته است که «شکل» زیربنایی داده‌های پیچیده را بررسی می‌کند. در هسته آن، همسانی پایدار قرار دارد، تکنیکی که ویژگی‌های توپولوژیکی مانند اجزای متصل، حلقه‌ها و حفره‌ها را در مقیاس‌های مختلف شناسایی و ردیابی می‌کند. برخلاف تحلیل‌های شبکه مرسوم که به آستانه‌های دلخواه متکی هستند، همسانی پایدار توصیفی قوی و بدون پارامتر از ساختار شبکه مغز ارائه می‌دهد.
نوآوری کلیدی این تحقیق، توسعه پایداری گره است، معیار جدید و از نظر محاسباتی کارآمد که مناطق خاص مغز را با تفاوت‌های قابل‌توجه در اتصال عملکردی شناسایی می‌کند. دانشمندان اتصال مغز را به دنباله‌ای از مجموعه‌های ساده تبدیل کردند.
با ورود تدریجی اتصالات ضعیف‌تر، حلقه‌ها و ساختارهای جدید ظاهر و ناپدید می‌شوند. همسانی پایدار، مدت زمان بقای این ویژگی‌ها و میزان پایداری آنها را اندازه‌گیری می‌کند. این معیار نه تنها نشان می‌دهد که یک مجموعه ساده تغییر کرده است، بلکه نشان می‌دهد که این تغییرات در سطح منطقه‌ای کجا و چگونه رخ می‌دهند. ویژگی‌های ماندگار، اغلب منعکس‌کننده ساختارهای مهم و از نظر بیولوژیکی معنادار هستند.
سه مقیاس تحلیل؛ از کل مغز تا مناطق منفرد
این گروه تحقیقاتی با استفاده از داده‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی کارکردی حالت استراحت بیش از ۱۰۰۰ نفر، تحلیل جامع چندمقیاسی انجام داد که تغییرات در اتصال مغز را در سه مقیاس مکانی بررسی می‌کرد. در سطح کلی، محققان از معیارهای توپولوژیکی مانند بی‌نظمی پایدار و پایداری برای توصیف شکل کلی شبکه‌های عملکردی مغز استفاده کردند.
محققان دریافتند که بزرگسالان جوان ویژگی‌های توپولوژیکی پیچیده‌تر و ماندگارتری نسبت به سالمندان نشان می‌دهند، در حالی که افراد اوتیسمی در مقایسه با افراد در حال رشد معمولی، بی‌نظمی پایدار بالاتری اما ساختارهای تک‌بعدی با پایداری کمتر نشان می‌دهند. این نتایج نشان می‌دهد که سازماندهی کلی اتصال عملکردی هم با افزایش سن و هم در اوتیسم تغییر می‌کند.
این گروه در سطح مزوسکوپی، هفت شبکه اصلی حالت استراحت، ازجمله شبکه‌های توجه سوماتوموتور (شبکه حسی حرکتی)، حالت پیش‌فرض و خلفی را بررسی کرد. نتایج تجزیه‌وتحلیل‌های آنان نشان داد که پیری به‌طور خاص بر شبکه‌های سوماتوموتور، توجه خلفی، توجه شکمی یا برجسته و حالت پیش‌فرض تاثیر می‌گذارد، در حالی که تفاوت‌های مرتبط با اوتیسم در شبکه‌های سوماتوموتور، توجه شکمی یا برجسته و حالت پیش‌فرض متمرکز است. این امر نشان می‌دهد که تاثیرات کلی به‌طور یکنواخت در سراسر مغز ایجاد نمی‌شوند، بلکه از سیستم‌های عملکردی خاص ناشی می‌شوند.
محققان در سطح داخلی، از رویکرد جدیدی (پایداری گره با معیار توپولوژیکی جدید) برای شناسایی مناطق مغزی منفرد که بیشترین سهم را در تفاوت‌های اتصال دارند، استفاده کردند. با استفاده از این رویکرد، آنان ۱۰۸ منطقه را که تغییرات مرتبط با سن و ۲۷ منطقه را که تغییرات مرتبط با اختلال طیف اوتیسم را نشان می‌دهند، شناسایی کردند. بسیاری از این مناطق با عملکردهای شناخته‌شده‌ای مانند حرکت، زبان، حافظه و شناخت اجتماعی مرتبط هستند.
نکته قابل‌توجه این است که چندین مورد با مناطقی که از قبل نشان داده شده بودند و به تکنیک‌های تحریک غیرتهاجمی مغز مانند تحریک مغناطیسی فراجمجمه‌ای (TMS) یا تحریک جریان مستقیم فراجمجمه‌ای (tDCS) پاسخ می‌دهند، همپوشانی دارند.
یورگن یوست و آریجیت سامال، محققان اصلی این تحقیق اظهار کردند: این چیزی بیش از ابزار تحلیلی جدید است. ما پلی بین ریاضیات محض و علوم اعصاب بالینی ایجاد کرده‌ایم. پایداری گره فقط تغییرات را تشخیص نمی‌دهد، بلکه مناطق خاص مغز را که در این شرایط آسیب‌پذیرتر یا تغییر یافته‌تر هستند، شناسایی می‌کند. این مورد، روش جدید قدرتمند برای ایجاد فرضیه‌هایی در درمان‌های هدفمند می‌دهد.
اهمیت ریاضیات و ارتباط بالینی آن
این کار با پیوند دادن توپولوژی جبری و تصویربرداری عصبی عملکردی نشان می‌دهد که چگونه چارچوب‌های ریاضی می‌توانند بینش‌های معنادار بیولوژیکی و بالینی در مورد اتصال مغز ارائه دهند. محققان خاطرنشان کردند که معیارهای محلی آنان در حال حاضر بر ویژگی‌های تک‌بعدی متمرکز است و کارهای آینده می‌تواند این ابزارها را برای ثبت ساختارهای با ابعاد بالاتر گسترش دهد.
با این وجود، این تحقیق اولین استدلالی را ارائه می‌دهد که همسانی پایدار می‌تواند به‌طور موثر تغییرات مرتبط با پیری و اختلال طیف اوتیسم را در مقیاس‌های مختلف، از معماری کل مغز گرفته تا مناطق منفرد، تشخیص دهد و این ویژگی‌های ریاضی با حوزه‌های شناختی تثبیت‌شده و اهداف مداخله بالینی همسو هستند.
یه گزارش مدیکال اکسپرس، از طریق این دیدگاه چندمقیاسی و توپولوژیکی، پایداری گره، روش جدیدی برای درک چگونگی تغییر چشم‌انداز عملکردی مغز در طول عمر و تفاوت بین رشد عصبی معمولی و غیرعادی ارائه می‌دهد. نویدبخشی این روش فراتر از پیری و اختلال طیف اوتیسم است و به‌طور بالقوه مسیرهای جدیدی را برای تجزیه‌وتحلیل شرایط عصبی-روانی متنوع و هدایت رویکردهای درمانی که بر شناسایی مدارهای عصبی آسیب‌دیده‌تر متکی هستند، باز می‌کند.
یافته‌های این تحقیق در مجله «الگوها» (Patterns) منتشر شده است.
