Modellering van het functionele netwerk voor ruimtelijke navigatie in het menselijk brein

Functionele specificiteit is een fundamenteel organisatieprincipe van het menselijk brein, dat een cruciale rol speelt bij het vormgeven van cognitieve functies^. Afwijkingen in de organisatie van functionele specificiteit kunnen een weerspiegeling zijn van kenmerkende cognitieve stoornissen en de bijbehorende pathologische grondslagen van ernstige hersenaandoeningen zoals autisme en de ziekte van Alzheimer ^2,3. Terwijl conventionele theorieën en onderzoek de neiging hebben zich te concentreren op afzonderlijke hersengebieden, zoals het fusiforme gezichtsgebied (FFA) voor gezichtsherkenning⁴ en het parahippocampusplaatsgebied (PPA)⁵ voor scèneverwerking, suggereert een toenemend aantal bewijzen dat complexe cognitieve functies, waaronder ruimtelijke navigatie en taal, coördinatieactiviteit vereisen in meerdere^{hersengebieden6}. Het onderzoeken van de mechanismen die ten grondslag liggen aan de interacties ter ondersteuning van complexe cognitieve functies is een kritische wetenschappelijke vraag die zal helpen om licht te werpen op de functionele architectuur en werking van de hersenen. Hier, met ruimtelijke navigatie als voorbeeld, presenteren we een integratieve methode voor het modelleren van het functionele netwerk voor ruimtelijke navigatie in het menselijk brein.

Ruimtelijke navigatie is een complexe cognitieve functie, waarbij meerdere cognitieve componenten worden geïntegreerd en gemanipuleerd, zoals visueel-ruimtelijke codering, geheugen en besluitvorming⁷. Met functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) hebben talrijke onderzoeken aanzienlijke vooruitgang geboekt in het begrijpen van de onderliggende cognitieve verwerking en neurale mechanismen. Er zijn bijvoorbeeld specifieke functies gekoppeld aan verschillende hersengebieden met behulp van verschillende navigatietaken: scèneverwerking wordt specifiek geassocieerd met PPA en transformatie van navigatiestrategieën wordt geassocieerd met de retrospleniale cortex (RSC)^8,9. Deze studies leverden belangrijke inzichten op in de neurale basis van ruimtelijke navigatie. Navigatie is echter een intern dynamische en multimodale functie, en de functies van afzonderlijke regio’s zijn niet voldoende om grote individuele verschillen in ruimtelijke navigatie¹⁰ te verklaren die vaak worden waargenomen.

Met de opkomst van op fMRI gebaseerde connectomics begonnen onderzoekers te onderzoeken hoe sommige belangrijke hersengebieden met elkaar interageren om ruimtelijke navigatie te ondersteunen. Er is bijvoorbeeld gevonden dat functionele connectiviteit tussen de entorhinale en posterieure cingulate cortex ten grondslag ligt aan navigatiediscrepanties bij de ziekte van Alzheimer die risico loopt¹¹. In een andere studie stelden we voor het eerst een netwerkbenadering voor door connectoommethoden en bijna alle functioneel relevante regio’s (knooppunten) voor ruimtelijke navigatie te integreren, en de resultaten toonden aan dat topologische eigenschappen van dit netwerk specifieke associaties vertoonden met navigatiegedrag¹². Deze studie biedt nieuwe inzichten in theorieën over hoe meerdere hersengebieden met elkaar interageren om flexibel navigatiegedrag te ondersteunen ^10,13.

Het huidige werk demonstreert een bijgewerkte versie van de integratieve benadering voor het modelleren van het functionele netwerk. In het kort waren er twee updates opgenomen: 1) Terwijl de knooppunten die in de oorspronkelijke studie waren gedefinieerd, werden geïdentificeerd op basis van een eerdere en kleinere database (55 studies met 2.765 activeringen, geraadpleegd in 2014), was de huidige definitie gebaseerd op de nieuwste database (77 studies met 3.908 activeringen, geraadpleegd in 2022); 2) om de functionele homogeniteit van elk knooppunt te vergroten, hebben we, naast de originele anatomische AAL (Anatomical Automatic Labeling) atlas¹⁴, een nieuwe hersenparcellatie toegepast, die een veel fijnere resolutie en een hogere functionele homogeniteit heeft (zie hieronder). We verwachtten dat beide updates de modellering van het functionele netwerk zouden verbeteren. Dit bijgewerkte protocol biedt een gedetailleerde procedure voor het onderzoeken van de neurale basis van ruimtelijke navigatie vanuit een netwerkperspectief en helpt bij het begrijpen van individuele variaties in navigatiegedrag in gezondheid en ziekte. Een soortgelijke procedure kan ook worden gebruikt voor netwerkmodellering voor andere cognitieve constructen (bijv. taal en geheugen).