Network-specific metabolic cost of functional connectivity in the human brain

Het menselijk brein is een biologische motor die bijna volledig op suiker draait. Zelfs wanneer we stilzitten, zonder iets bijzonders te doen, verbruiken onze geest een enorme hoeveelheid glucose, de eenvoudige suiker die onze cellen voedt. Wetenschappers weten al lang dat verschillende delen van de hersenen oplichten bij activiteit wanneer we denken, bewegen of voelen, en ze weten ook dat deze actieve gebieden meer brandstof nodig hebben. Decennialang hebben onderzoekers geprobeerd de relatie tussen dit brandstofverbruik en de manier waarop verschillende hersengebieden met elkaar communiceren, in kaart te brengen. Ze hebben gekeken naar hoe de elektrische signalen van de hersenen, die laten zien welke gebieden samenwerken, zich verhouden tot de hoeveelheid glucose die die gebieden verbranden. Echter, eerdere pogingen om deze verbinding te begrijpen, behandelden de hersenen vaak als één enkele, uniforme massa. Ze bekeken het hele orgaan in zijn geheel, waardoor ze het feit misten dat de hersenen eigenlijk zijn georganiseerd in duidelijke teams van regio's die samenwerken voor specifieke taken, zoals visie, beweging of geheugen. Het begrijpen van hoeveel energie deze specifieke teams kosten om te draaien, is cruciaal, omdat het de ware economische regels van de geest onthult en hoe die regels kunnen breken bij ziekte.

Een nieuwe studie kijkt nauwer naar deze energie-economie door de hersenen niet als een geheel te onderzoeken, maar als een verzameling gespecialiseerde netwerken. De onderzoekers gebruikten een krachtige combinatie van beeldvormingsinstrumenten om te kijken hoe de hersenen glucose gebruiken terwijl mensen rustten, terwijl ze mentale taken uitvoerden, en terwijl ze te maken hadden met de vroege stadia van de ziekte van Alzheimer. Ze richtten zich op het meten van de "metabole kosten" van functionele connectiviteit. In gewone taal betekent dit dat ze berekenden hoeveel extra glucose een hersennetwerk nodig heeft te verbranden wanneer de leden ervan nauwer met elkaar gaan samenwerken. Door naar drie aparte groepen mensen te kijken, vond het team dat niet alle hersennetwerken gelijk zijn als het gaat om energie. Sommige teams zijn ongelooflijk duur om te draaien, terwijl andere verrassend zuinig zijn.

De studie onthulde een duidelijke hiërarchie in deze energiekosten. Het default mode network, een groep regio's die actief wordt wanneer we dagdromen of over onszelf nadenken, bleek het duurste team om te voeden te zijn. Het vereist de hoogste hoeveelheid glucose om zijn verbindingen in stand te houden. Aan het andere uiteinde van het spectrum vereiste het somatomotorische netwerk, dat onze fysieke bewegingen en zintuigen beheert, de minste brandstof om de leden in sync te houden. In het midden zat het fronto-temporale netwerk, betrokken bij taal en complexe gedachten, dat een intermediaire energielast met zich meebracht. Dit patroon hield stand, zelfs toen de onderzoekers keken naar hoe deze verbindingen van moment tot moment veranderden. Wanneer de hersenen in een staat kwamen waarin het default mode network sterk betrokken was, was de energierekening het hoogst. Wanneer de hersenen verschoven naar een staat die gedomineerd werd door het bewegingsnetwerk, daalde de kosten naar het laagste punt.

Het beeld veranderde drastisch toen de onderzoekers naar mensen met de ziekte van Alzheimer keken. Bij deze individuen waren de gebruikelijke energieregels omgedraaid. Het default mode network, dat normaal gesproken de meeste brandstof verbrandt, vertoonde een afname in zijn energiebehoeften. Ondertussen begon het somatomotorische netwerk, dat gewoonlijk het meest efficiënt is, een verhoogde kostenpost te laten zien. Deze omkering suggepereert dat de ziekte het normale vermogen van de hersenen verstoort om zijn middelen efficiënt te beheren, waardoor het een hogere prijs moet betalen voor basisfuncties terwijl het faalt om het complexe interne denken te ondersteunen dat normaal gesproken een hoge prijs met zich meebrengt.

De studie observeerde ook wat er gebeurt wanneer de hersenen aan een specifieke taak worden gevraagd. Wanneer deelnemers een cognitieve taak uitvoerden, namen de energiebehoeften in de default mode en somatomotorische netwerken af, alsof de hersenen brandstof bespaarden door die interne en fysieke systemen te dempen. Tegelijkertijd zagen de netwerken die direct relevant waren voor de taak van dat moment een toename in hun energiekosten. Dit laat zien dat de hersenen flexibel zijn en hun brandstofbudget verschuiven om aan te passen wat ze doen. De bevindingen benadrukken dat de architectuur van de hersenen geen statische machine is, maar een dynamisch systeem dat voortdurend zijn energie-uitgaven aanpast op basis van of ze rusten, denken of vechten tegen ziekte. Door deze specifieke kosten in kaart te brengen, beginnen wetenschappers de complexe wisselwerking te zien tussen hoe de netwerken van de hersenen verbonden zijn en hoeveel het kost om ze draaiende te houden.