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Ein neuer Weg, den komplizierten Rhythmus des Gehirns zu verstehen

by drbyos
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Heute, wenn Forscher verbringen viele Stunden im Labor und führen knifflige Experimente durch, sie können Musik oder Podcasts hören, um sie durch den Tag zu bringen. Aber in den frühen Jahren der Neurowissenschaften war das Hören ein wesentlicher Bestandteil des Prozesses. Um herauszufinden, was Neuronen wichtig ist, übersetzten die Forscher die fast augenblicklichen Signale, die sie senden, die „Spikes“ genannt werden, in Töne. Je lauter das Geräusch, desto häufiger stachelte das Neuron – und desto höher war seine Feuerrate.

„Man kann einfach hören, wie viele Knackgeräusche aus dem Lautsprecher kommen und ob er wirklich laut oder wirklich leise ist“, sagt Joshua Jacobs, außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik an der Columbia University. „Und das ist ein wirklich intuitiver Weg, um zu sehen, wie aktiv eine Zelle ist.“

Neurowissenschaftler sind nicht mehr auf Geräusche angewiesen; Mit implantierten Elektroden und Computersoftware können sie Spitzen präzise aufzeichnen. Um die Feuerrate eines Neurons zu beschreiben, wählt ein Neurowissenschaftler ein Zeitfenster – sagen wir 100 Millisekunden – und sieht, wie oft es feuert. Durch Feuerraten haben Wissenschaftler viel von dem aufgedeckt, was wir über die Funktionsweise des Gehirns wissen. Ihre Untersuchung in einer tiefen Hirnregion, dem Hippocampus, führte zum Beispiel zur Entdeckung von Ortszellen – Zellen, die aktiv werden, wenn sich ein Tier an einem bestimmten Ort befindet. Diese Entdeckung von 1971 brachte dem Neurowissenschaftler John O’Keefe 2014 den Nobelpreis ein.

Feuerraten sind eine sinnvolle Vereinfachung; sie zeigen das Gesamtaktivitätsniveau einer Zelle, obwohl sie genaue Informationen über das Timing von Spitzen opfern. Aber einzelne Folgen von Spitzen sind so kompliziert und so variabel, dass es schwer sein kann, ihre Bedeutung zu verstehen. Die Fokussierung auf die Feuerungsraten hängt daher oft von Pragmatik ab, sagt Peter Latham, Professor an der Gatsby Computational Neuroscience Unit am University College London. „Wir haben nie genug Daten“, sagt Latham. “Jeder einzelne Versuch ist völlig anders.”

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Aber das bedeutet nicht, dass das Studium des Spike-Timings sinnlos ist. Obwohl es schwierig ist, die Spitzen eines Neurons zu interpretieren, ist es möglich, eine Bedeutung in diesen Mustern zu finden, wenn Sie wissen, wonach Sie suchen.

Das ist O’Keefe 1993 gelungen, mehr als zwei Jahrzehnte nachdem er die Ortszellen entdeckt hatte. Durch den Vergleich des Zeitpunkts, zu dem diese Zellen feuerten, mit lokalen Schwingungen – insgesamt wellenförmigen Aktivitätsmustern in einer Gehirnregion – entdeckte er ein Phänomen, das als „Phasenpräzession“ bezeichnet wird. Wenn sich eine Ratte an einem bestimmten Ort befindet, feuert dieses Neuron ungefähr zur gleichen Zeit, zu der andere in der Nähe befindliche Neuronen am aktivsten sind. Aber wenn sich die Ratte weiterbewegt, feuert dieses Neuron kurz vor oder kurz nach der Spitzenaktivität seiner Nachbarn. Wenn ein Neuron im Laufe der Zeit zunehmend nicht mehr mit seinen Nachbarn synchron ist, zeigt es eine Phasenpräzession. Da die Hintergrundaktivität des Gehirns einem sich wiederholenden Auf- und Ab-Muster folgt, wird sie schließlich wieder mit ihr synchronisiert, bevor der Zyklus erneut beginnt.

Seit O’Keefes Entdeckung wurde die Phasenpräzession bei Ratten intensiv untersucht. Aber bis Mai, als Jacobs’ Team in der Zeitschrift veröffentlichte, wusste niemand genau, ob es beim Menschen passiert Zelle der erste Beweis dafür im menschlichen Hippocampus. „Das ist eine gute Nachricht, denn die Dinge laufen über verschiedene Arten hinweg, unter verschiedenen experimentellen Bedingungen“, sagt Mayank Mehta, ein prominenter Phasenpräzessionsforscher an der UCLA, der nicht an der Studie beteiligt war.

Das Team der Columbia University machte seine Entdeckung durch jahrzehntealte Aufzeichnungen aus den Gehirnen von Epilepsiepatienten, die die neuronale Aktivität verfolgten, während die Patienten auf einem Computer durch eine virtuelle Umgebung navigierten. Epilepsiepatienten werden häufig für die neurowissenschaftliche Forschung rekrutiert, weil ihre Behandlung chirurgisch implantierte Tiefenhirnelektroden umfassen kann, die Wissenschaftlern die einzigartige Möglichkeit bieten, das Feuern einzelner Neuronen in Echtzeit zu belauschen.

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