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Studie findet Schaltung, die einem Gehirn bei der Entscheidung hilft

by drbyos
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MIT-Neurowissenschaftler haben die elegante Architektur eines grundlegenden Entscheidungsfindungsschaltkreises im Gehirn entdeckt, der es ermöglicht, C. elegans Wurm, um entweder nach Nahrung zu suchen oder zu schlemmen, wenn er eine Quelle findet. Die Schaltung ist in der Lage, mehrere Ströme sensorischer Informationen zu integrieren und verwendet nur wenige Schlüsselneuronen, um ein lang anhaltendes Verhalten aufrechtzuerhalten und dennoch flexibel zwischen ihnen zu wechseln, wenn die Umgebungsbedingungen es erfordern.

“Bei einem Wurm auf Nahrungssuche hat die Entscheidung, zu wandern oder zu bleiben, einen starken Einfluss auf sein Überleben.” sagte Studienautor Steven Flavell, außerordentlicher Professor für Karriereentwicklung der Lister Brothers am Picower Institute for Learning and Memory und am Department of Brain and Cognitive Sciences am MIT. “Wir dachten, dass die Untersuchung, wie das Gehirn diesen entscheidenden Entscheidungsprozess steuert, grundlegende Schaltungselemente aufdecken könnte, die im Gehirn vieler Tiere eingesetzt werden können.”

Dieser Ansatz, einfache Wirbellose zu untersuchen, um grundlegende Einblicke in die Funktionsweise des Gehirns zu gewinnen, hat in den Neurowissenschaften eine lange Tradition, sagte Flavell. Zum Beispiel führten Studien darüber, wie ein Tintenfischnerv elektrische Impulse ausbreitet, zu der wichtigsten Erkenntnis, die erklärt, wie Gehirnzellen in praktisch allen Tieren feuern.

Obwohl die von Flavell und Kollegen identifizierte kritische Komponente des Gehirnschaltkreises nach ihrer Enthüllung einfach erscheinen mag, war es alles andere als einfach, sie zu finden. Der Hauptautor Ni Ji, ein Postdoc in Flavells Labor, nutzte mehrere fortschrittliche Technologien, darunter eine der eigenen Erfindungen des Labors, um dies herauszufinden. Die Ergebnisse ihrer Arbeit und der ihrer Co-Autoren erscheinen in der Zeitschrift eLife.

Denken verfolgen

C. elegans ist ein beliebtes Modell in den Neurowissenschaften, da es nur 302 Neuronen hat und das “Verdrahtungsdiagramm” oder das Konnektom vollständig abgebildet wurde. Aber trotzdem bedeutet die sehr dichte und sich überschneidende Vernetzung dieser Neuronen sowie ihre Fähigkeit, sich über Chemikalien, die Neuromodulatoren genannt werden, gegenseitig Signale zu senden, dass man das Konnektom kaum ansehen und erkennen kann, wie es zwischen verschiedenen Verhaltenszuständen wechselt.

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Um funktionale Schaltkreise inmitten dieses Netzes von Verbindungen zu identifizieren, entwickelte Flavells Labor ein neues Mikroskop, das in der Lage ist, die Würmer bei ihrer Bewegung zu verfolgen und dabei ständig die Aktivität von Neuronen im Gehirn des Wurms abzubilden, die durch Kalzium-ausgelöste Lichtblitze angezeigt wird. Ji nutzte den Umfang, um sich auf 10 miteinander verbundene Neuronen zu konzentrieren, die an der Nahrungssuche beteiligt sind, und verfolgte ihre neuronalen Aktivitätsmuster, die mit dem Roaming- oder Wohnverhalten verbunden sind.

Ji und Co-Autoren trainierten Software, die die Muster so gut erlernte, dass sie allein aufgrund der neuronalen Aktivität das Verhalten des Wurms mit 95-prozentiger Genauigkeit vorhersagen konnte. Die Analyse ergab ein Quartett von Neuronen, dessen Aktivität spezifisch mit Roaming verbunden war. Ein weiteres Schlüsselmuster war, dass der Übergang vom Herumstreunen zum Anhalten zum Verweilen immer auf die Aktivierung eines Neurons namens NSM folgte. Flavells Labor zeigte zuvor, dass NSM das Vorhandensein neu aufgenommener Nahrung erkennen und einen Neuromodulator namens Serotonin aussenden kann, um anderen Neuronen zu signalisieren, den Wurm zu verlangsamen, um in einem Ernährungsbereich zu verweilen.

Gegenseitiger Antagonismus

Nachdem Ji die Aktivitätsmuster identifiziert hatte, die sich beim Umschalten des Wurms änderten, begann er, Neuronen in der Schaltung zu manipulieren, um zu verstehen, wie sie interagieren. Um die Rolle von NSM als Auslöser des Wohnzustands zu bestätigen, konstruierte Ji, dass es mit einem Lichtblitz künstlich aktiviert wird (eine Technik namens Optogenetik). Als sie das Licht aufblitzte, ließ es den Wurm verweilen, indem es die Aktivität der umherstreifenden Neuronen hemmte. Weitere Experimente zeigten, dass diese hemmende Kraft davon abhängt, dass die umherstreifenden Neuronen einen hemmenden Serotoninrezeptor namens MOD-1 besitzen. Wenn Ji den MOD-1-Rezeptor genetisch ausschaltet, konnte NSM das Roaming-Verhalten nicht hemmen und hörte schnell auf, es mangels Feedback zu versuchen.

In ähnlicher Weise zeigte Ji, dass das Roaming-Quartett den Neuromodulator PDF benutzte, um die Aktivität von NSM zu hemmen, wenn der Wurm unterwegs war. Optogenetische Aktivierung von PDF-exprimierenden Neuronen dämpfte beispielsweise die NSM-Aktivität.

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In einem normalen Wurm, wenn das Roaming-Quartett aktiv war, war NSM nicht und umgekehrt. Aber wenn Ji die Schaltungselemente, die dieser gegenseitigen Hemmung zugrunde liegen, genetisch ausschaltet, könnten sowohl das Roaming-Quartett als auch NSM gleichzeitig aktiv sein und den Wurm in einem seltsamen Zustand zurücklassen, in dem er sich mit etwa der Hälfte der Roaming-Geschwindigkeit herumschlängelt.

Sensorische Eingänge

Durch einen anhaltenden Kampf gegenseitiger Hemmung wird das Roaming vom Quartett und das Wohnen vom NSM aufrechterhalten, aber das wirft immer noch die Frage auf: Wie entscheidet der Wurm, den Schalter umzulegen? Um das herauszufinden, programmierten Ji und Kollegen einen maschinellen Lernalgorithmus, um zu erkennen, welche Neuronen im breiteren Kreislauf vorgeschaltet sein könnten, um das Tauziehen von Serotonin und PDF zu beeinflussen. Dieser Ansatz identifizierte ein Neuron namens AIA, das dafür bekannt ist, sensorische Informationen über Lebensmittelgerüche zu integrieren. Die Aktivität von AIA schwankte mit einigen der Roaming-Neuronen während des Roamings und mit NSM, als das Verweilen begann.

Mit anderen Worten, wenn die AIA durch den Geruch von Essen aktiviert wird, könnte sie ihren Input nutzen, um beide Seiten des gegenseitigen Hemmschaltkreises dazu zu bringen, das Verhalten zu ändern. In Anbetracht dessen, dass NSM erkennen kann, wann der Wurm tatsächlich frisst, konnten Ji und Flavell ableiten, was AIA und NSM tun müssen. Wenn der Wurm Essen riecht, aber nicht frisst, muss er weiter zu diesem Essensgeruch wandern, bis er es ist. Wenn der Wurm Nahrung riecht und gleichzeitig zu fressen beginnt, sollte er sich dort weiterhin aufhalten.

„Für einen nach Nahrung suchenden Wurm sind Lebensmittelgerüche ein wichtiger, aber mehrdeutiger sensorischer Hinweis. Die Fähigkeit von AIA, Lebensmittelgerüche zu erkennen und diese Informationen in Abhängigkeit von anderen eingehenden Hinweisen an diese verschiedenen nachgeschalteten Kreisläufe zu übertragen, ermöglicht es Tieren, den Geruch zu kontextualisieren und adaptiv zu machen Entscheidungen treffen”, sagte Flavell. “Wenn Sie nach Schaltungselementen suchen, die auch in größeren Gehirnen funktionieren könnten, sticht dieses als grundlegendes Motiv hervor, das kontextabhängiges Verhalten ermöglichen könnte.”

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Neben Ji und Flavell sind Gurrein Madan, Guadalupe Fabre, Alyssa Dayan, Casey Baker, Talya Kramer und Ijeoma Nwabudike weitere Autoren des Papiers.

Finanziert wurde die Forschung von den National Institutes of Health, der National Science Foundation, der JPB Foundation, der Brain and Behavior Research Foundation, NARSAD, der McKnight Foundation und der Alfred P. Sloan Foundation.

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