Directional coordination along the cortical hierarchy is selectively reorganized in schizophrenia

Het menselijk brein is geen statische machine, maar een dynamisch landschap dat voortdurend schakelt tussen verschillende modi van werken. Decennialang hebben wetenschappers begrepen dat het brein georganiseerd is in een hiërarchie, een gelaagde structuur waarbij lagere regio's basale sensorische input zoals zicht en geluid afhandelen, terwijl hogere regio's complexe gedachten en planning beheren. Een centrale vraag in de neurowetenschap is geweest hoe deze lagen met elkaar communiceren. Sturen de hogere regio's instructies naar de lagere regio's, of sturen de lagere regio's ruwe gegevens omhoog voor verwerking? In de stoornis die bekendstaat als schizofrenie, wordt aangenomen dat deze communicatie verstoord is, wat leidt tot een wereld waarin zintuiglijke ervaringen ongefilterd en losgekoppeld van de context aanvoelen. Tot nu toe waren de instrumenten die werden gebruikt om het brein te bestuderen echter als een camera die alleen de helderheid van een scène vastlegt, maar de richting van het licht negeert. Ze konden onderzoekers vertellen hoe sterk twee hersengebieden met elkaar verbonden waren, maar ze konden niet zien welk gebied op elk gegeven moment de leiding nam in het gesprek.

Een nieuwe studie door onderzoekers van het Tri-Institutional Center for Translational Research in Neuroimaging and Data Science heeft dit veranderd door een manier te ontwikkelen om de richting van het hersenverkeer te zien. Door hersenscans van honderden mensen te analyseren, waaronder mensen met schizofrenie, ontdekte het team dat het brein van nature door drie verschillende staten van communicatie cyclust. In één staat leiden de hogere denkregio's de lagere sensorische regio's, als een manager die instructies geeft. In een andere staat leiden de sensorische regio's, waarbij ze ruwe gegevens omhoog sturen. In een derde, gebalanceerde staat wisselen de twee zijden informatie uit met gelijke tred. De onderzoekers ontdekten dat in mensen met schizofrenie dit natuurlijke ritme wordt verstoord. In plaats van vrij te bewegen tussen deze staten, blijft het brein steken in de gebalanceerde, middelste staat en verliest het het vermogen om de "door de manager geleide" staat te handhaven. Deze specifieke breuk, die onzichtbaar was voor eerdere methoden, correleert met de ernst van de symptomen en hoe goed iemand kan nadenken.

De studie begon met het bekijken van rusttoestand-hersenscans van 151 individuen met schizofrenie en 160 gezonde controles. De onderzoekers gebruikten een gespecialiseerde wiskundige benadering die de tijdsverschillen tussen hersensignalen behield, waardoor ze konden zien welke regio leidde en welke volgde. Ze ontdekten dat gezonde breinen door drie terugkerende patronen bewegen. Eén patroon, dat zij feedback noemden, treedt op wanneer de associatiegebieden van het brein — verantwoordelijk voor complexe gedachten — de sensorische gebieden leiden. Een ander patroon, genaamd feedforward, vindt plaats wanneer de sensorische gebieden de associatiegebieden leiden. Het derde patroon is integraal, waarbij de stroom gebalanceerd is. Deze drie patronen verschenen consistent bij verschillende groepen mensen en verschillende scannermachines, wat bewees dat ze een fundamenteel kenmerk zijn van hoe het brein werkt.

Toen de onderzoekers de gezonde groep vergeleken met de groep met schizofrenie, vonden ze een selectieve reorganisatie van deze patronen. De breinen van mensen met schizofrenie brachten significant minder tijd door in de feedback-staat, waar hogere regio's lagere regio's sturen. Ze brachten ook meer tijd door in de integrale staat, waar de stroom gebalanceerd is. Cruciaal was dat de feedforward-staat, waarbij sensorische regio's leiden, grotendeels onveranderd bleef. Dit betekent dat de stoornis niet simpelweg alle verbindingen verzwakt; het erodeert specifiek het vermogen om een top-down sturingssysteem te handhaven. Het brein bij schizofrenie bewoog ook minder vaak tussen deze staten en vestigde zich sneller in zijn patronen, wat wijst op een verlies van flexibiliteit. De onderzoekers bevestigden deze bevindingen in een tweede, onafhankelijke groep patiënten en controles, om te verzekeren dat de resultaten geen toevalstreffer waren van een enkele dataset.

De studie onderzocht ook hoe deze hersenpatronen zich verhouden tot echt gedrag en symptomen. Bij gezonde mensen was de snelheid waarmee het brein zich in een stabiel patroon vestigde, gekoppeld aan betere leervermogens. Echter, bij mensen met schizofrenie keerde deze relatie om: dezelfde snelle stabilisatie was gekoppeld aan slechtere aandacht en lagere cognitieve prestaties. Dit suggereert dat hoewel een stabiele hersentoestand nuttig is voor een gezonde geest, het in een verstoord brein een instorting betekent naar een rigide, onproductieve modus. Bovendien was de ernst van positieve symptomen, zoals hallucinaties of wanen, gekoppeld aan hoe vaak het brein van de gebalanceerde staat naar de feedforward-staat gleed. Hoe vaker het brein naar de feedforward-staat neigde om de sensorische gegevens de leiding te laten nemen zonder context, hoe ernstiger de symptomen werden.

Om te bewijzen dat deze patronen niet slechts een statistische truc waren maar een reële, controleerbare eigenschap van het brein, testten de onderzoekers het systeem in een aparte groep gezonde vrijwilligers onder verschillende omstandigheden. Ze gebruikten een medicijn genaamd propofol om de vrijwilligers te sederen en een mentale taak waarbij men zich het spelen van tennis voorstelde om hun geest te activeren. De sedatie verschoof de hersenactiviteit naar de feedback-staat, waarbij hogere regio's leiden, terwijl de mentale verbeeldingsopdracht de hersenen naar de feedforward-staat verschoof. Deze dubbele verschuiving toonde aan dat de directionele as van het brein experimenteel kan worden verplaatst, wat bevestigt dat de verstoring gezien bij schizofrenie een werkelijke dynamische fout is en geen vast anatomisch defect.

De onderzoekers namen ook de zorg om andere verklaringen voor hun bevindingen uit te sluiten. Ze toonden aan dat de richting van de signalen niet werd veroorzaakt door een vaste vertraging in de bloedstroom, wat een veelvoorkomend probleem is bij hersenbeeldvorming, omdat de richting snel veranderde binnen een enkele scan. Ze bewezen ook dat deze directionele organisatie niet kon worden verklaard door andere bekende hersenprincipes, zoals algemene arousalniveaus of de algemene lay-out van hersenverbindingen. De directionele patronen die zij vonden waren uniek en bevatten informatie die geen enkele andere maatstaf kon vangen.

Uiteindelijk biedt dit werk een nieuwe manier om de hiërarchie van het brein in actie te begrijpen. Het onthult dat schizofrenie niet alleen een stoornis van zwakke verbindingen is, maar een stoornis van richting. Het brein verliest het vermogen om de top-down sturing te handhaven die ons helpt de wereld zin te geven, en blijft steken in een middengebied waar informatie stroomt zonder duidelijk leiderschap. Door deze specifieke dynamische fout te identificeren, biedt de studie een potentieel nieuw doelwit voor het begrijpen van de ziekte en het ontwikkelen van behandelingen die kunnen helpen het natuurlijke ritme van het brein te herstellen. De bevindingen suggereren dat de sleutel tot de stoornis niet ligt in de sterkte van de verbindingen, maar in de richting van de stroom, een dimensie van hersenactiviteit die voorheen verborgen in het volle zicht was.