Особенности функционирования церебральных нейронных сетей при движениях кисти и пальцев: фМРТ-исследование

Abstract

Анализировали топографию и количественные характеристики BOLD-сигнала при выполнении здоровыми людьми движений пальцев руки и кисти в ходе фМРТ-исследования. Парадигма активации включала в себя три тест-движения различной степени сложности. Предполагалось, что такая парадигма может способствовать пониманию механизмов функционирования отдельных церебральных нейронных сетей, контролирующих двигательные функции, при объединении таких сетей в масштабные сети, осуществляющие общий центральный контроль моторной деятельности. Одновременно с процессами активации сенсомоторной сети наблюдались частичная деактивация определенных узлов «дефолтной» нервной сети (DMN) и формирование функциональной связи, не зависящей от выполнения разных заданий. Это служит подтверждением гетерогенности DMN, разные участки которой могут одновременно испытывать десинхронизацию и функционировать автономно. Результаты анализа частотного спектра флуктуаций BOLD-сигнала позволяют заключить, что сенсомоторная сеть и DMN функционируют одновременно, но для каждой из них существуют прямая (для сенсомоторной) и обратная (для DMN) корреляционные зависимости между изменениями BOLD-сигнала и успешностью выполнения моторного задания.

Аналізували топографію та кількісні характеристики BOLD-сигналу при виконанні здоровими людьми рухів пальців руки і кисті. Парадигма активації включала в себе три тест-рухи різного ступеня складності. Згідно зі зробленим припущенням, така парадигма може сприяти розумінню механізмів функціонування окремих нейронних мереж, які контролюють рухові функції, та їх об’єднання в більш масштабні мережі, завдяки яким здійснюється загальний контроль моторної діяльності з боку ЦНС. Одночасно з процесами активації сенсомоторної мережі спостерігалися часткова деактивація певних вузлів «дефолтної» нейронної мережі (DMN) і формування функціонального зв’язку, який не залежить від виконання завдань. Це слугує підтвердженням гетерогенності DMN, різні ділянки якої можуть одночасно десинхронізуватись та функціонувати автономно. Результати аналізу частотного спектра флуктуацій BOLD-сигналу дозволяють зробити висновок, що сенсомоторна мережа і DMN функціонують одночасно, але для кожної з них існують пряма (для сенсомоторної) і зворотна (для DMN) кореляційні залежності між змінами BOLD-сигналу та успішністю виконання моторного завдання.

We analyzed the topography and quantitative characteristics of changes in a blood oxygenation level-dependent (BOLD) signal accompanying movements of the fingers and hand performed by healthy humans. Three test movements characterized by different levels of complexity were united in an integrated paradigm of activation. We assumed that such a paradigm should promote the understanding of mechanisms of functioning of separate neuronal networks controlling motor functions and their grouping in scaling networks responsible for general control of motor activity by the CNS. Concurrently with the processes of activation of the sensorimotor network, we observed partial deactivation of certain nodi of the default-mode network (DMN) and formation of functional connectivities independent of the performance of the tasks. This confirms the statement on the heterogeneity of the DMN, whose different parts can be simultaneously desynchronized and can function in an offline mode. Analysis of the frequency spectrum of fluctuations of the BOLD signal allowed us to conclude that the sensorimotor network and DMN function simultaneously; however, each of them demonstrates direct (for the sensorimotor network) and inverse (for the DMN) correlation between changes in the BOLD signal and the successfulness of performance of the motor task.