Ein Ozean in Ihrem Gehirn: Interagierende Gehirnwellen sind der Schlüssel dazu, wie wir Informationen verarbeiten

Ein Ozean in Ihrem Gehirn: Interagierende Gehirnwellen sind der Schlüssel dazu, wie wir Informationen verarbeiten

Salk-Wissenschaftler zeigen, wie das Gehirn unterschiedlich reagiert, wenn es unter verschiedenen Bedingungen dasselbe sieht

LA JOLLA – Jahrelang galt das Gehirn als biologischer Computer, der Informationen über traditionelle Schaltkreise verarbeitet, wobei Daten direkt von einer Zelle zur anderen weitergeleitet werden. Obwohl dieses Modell immer noch korrekt ist, zeigt eine neue Studie unter der Leitung von Salk Professor Thomas Albrecht und wissenschaftlicher Mitarbeiter Sergei Gepshtein zeigt, dass es auch eine zweite, ganz andere Art und Weise gibt, wie das Gehirn Informationen analysiert: durch die Interaktionen von Wellen neuronaler Aktivität. Die Ergebnisse, veröffentlicht in Wissenschaft Fortschritte am 22. April 2022 helfen Forschern, besser zu verstehen, wie das Gehirn Informationen verarbeitet.

„Wir haben jetzt ein neues Verständnis dafür, wie die Rechenmaschinerie des Gehirns funktioniert“, sagt Albright, Inhaber des Conrad T. Prebys-Lehrstuhls für Sehforschung und Direktor des Vision Center Laboratory in Salk. „Das Modell hilft zu erklären, wie sich der zugrunde liegende Zustand des Gehirns ändern und sich auf die Aufmerksamkeit, den Fokus oder die Fähigkeit der Menschen, Informationen zu verarbeiten, auswirken kann.“

Forscher wissen seit langem, dass im Gehirn Wellen elektrischer Aktivität existieren, sowohl im Schlaf als auch im Wachzustand. Aber die zugrunde liegenden Theorien darüber, wie das Gehirn Informationen verarbeitet – insbesondere sensorische Informationen, wie den Anblick eines Lichts oder den Klang einer Glocke – basieren darauf, dass Informationen von spezialisierten Gehirnzellen erfasst und dann wie ein Neuron zum nächsten weitergeleitet werden Relais.

Dieses traditionelle Modell des Gehirns konnte jedoch nicht erklären, wie eine einzelne Sinneszelle unter verschiedenen Bedingungen so unterschiedlich auf dasselbe reagieren kann. Beispielsweise kann eine Zelle als Reaktion auf einen kurzen Lichtblitz aktiviert werden, wenn ein Tier besonders wachsam ist, bleibt jedoch als Reaktion auf dasselbe Licht inaktiv, wenn die Aufmerksamkeit des Tieres auf etwas anderes gerichtet ist.

Gepshtein vergleicht das neue Verständnis mit dem Welle-Teilchen-Dualismus in der Physik und Chemie – der Idee, dass Licht und Materie sowohl Eigenschaften von Teilchen als auch von Wellen haben. In manchen Situationen verhält sich Licht so, als wäre es ein Teilchen (auch Photon genannt). In anderen Situationen verhält es sich wie eine Welle. Partikel sind auf einen bestimmten Ort beschränkt und Wellen sind über viele Orte verteilt. Um sein komplexes Verhalten zu erklären, sind beide Sichtweisen auf Licht erforderlich.

„Die traditionelle Sichtweise der Gehirnfunktion beschreibt die Gehirnaktivität als eine Interaktion von Neuronen. Da jedes Neuron an einen bestimmten Ort gebunden ist, ähnelt diese Sichtweise der Beschreibung von Licht als Teilchen“, sagt Gepshtein, Direktor von Salks Collaboratory for Adaptive Sensory Technologies. „Wir haben herausgefunden, dass sich die Gehirnaktivität in manchen Situationen besser als Wechselwirkung von Wellen beschreiben lässt, was der Beschreibung von Licht als Welle ähnelt. Um das Gehirn zu verstehen, braucht es beide Sichtweisen.“

Einige in der Vergangenheit beobachtete Eigenschaften von Sinneszellen waren angesichts des „Partikel“-Ansatzes für das Gehirn nicht einfach zu erklären. In der neuen Studie beobachtete das Team die Aktivität von 139 Neuronen in einem Tiermodell, um besser zu verstehen, wie die Zellen ihre Reaktion auf visuelle Informationen koordinierten. In Zusammenarbeit mit dem Physiker Sergey Savel'ev von der Loughborough University schufen sie einen mathematischen Rahmen, um die Aktivität von Neuronen zu interpretieren und neue Phänomene vorherzusagen.

Sie fanden heraus, dass sich das Verhalten der Neuronen am besten durch die Interaktion mikroskopischer Aktivitätswellen und nicht durch die Interaktion einzelner Neuronen erklären ließe. Anstatt dass ein Lichtblitz spezielle Sinneszellen aktiviert, zeigten die Forscher, wie er verteilte Muster erzeugt: Aktivitätswellen über viele benachbarte Zellen hinweg mit abwechselnden Aktivierungsspitzen und -tälern – wie Meereswellen.

Wenn diese Wellen gleichzeitig an verschiedenen Stellen im Gehirn erzeugt werden, kollidieren sie unweigerlich miteinander. Wenn zwei Aktivitätsspitzen aufeinandertreffen, erzeugen sie eine noch höhere Aktivität, während ein Tiefpunkt niedriger Aktivität, der auf einen Höhepunkt trifft, diese möglicherweise zunichte macht. Dieser Vorgang wird als Welleninterferenz bezeichnet.

„Wenn man draußen auf der Welt ist, gibt es viele, viele Eingaben und so werden all diese unterschiedlichen Wellen erzeugt“, sagt Albright. „Die Nettoreaktion des Gehirns auf die Welt um Sie herum hängt davon ab, wie all diese Wellen interagieren.“

Um ihr mathematisches Modell der Entstehung neuronaler Wellen im Gehirn zu testen, entwarf das Team ein begleitendes visuelles Experiment. Zwei Personen wurden gebeten, eine dünne, schwache Linie („Sonde“) zu erkennen, die sich auf einem Bildschirm befand und von anderen Lichtmustern flankiert wurde. Wie gut die Menschen diese Aufgabe bewältigten, hing, wie die Forscher herausfanden, davon ab, wo sich die Sonde befand. Die Fähigkeit, die Sonde zu erkennen, war an einigen Stellen erhöht und an anderen Stellen verringert, wodurch eine vom Modell vorhergesagte räumliche Welle entstand.

„Ihre Fähigkeit, diese Sonde an jedem Ort zu sehen, hängt davon ab, wie sich Nervenwellen an diesem Ort überlagern“, sagt Gepshtein, der auch Mitglied des Salk Center for the Neurobiology of Vision ist. „Und wir haben jetzt vorgeschlagen, wie das Gehirn das vermittelt.“

Die Entdeckung der Wechselwirkung neuronaler Wellen ist weitaus weitreichender als die Erklärung dieser optischen Täuschung. Die Forscher nehmen an, dass in jedem Teil der Hirnrinde, nicht nur in dem Teil, der für die Analyse visueller Informationen verantwortlich ist, die gleichen Arten von Wellen erzeugt werden und miteinander interagieren. Das bedeutet, dass Wellen, die vom Gehirn selbst, durch subtile Hinweise in der Umgebung oder durch innere Stimmungen erzeugt werden, die durch sensorische Eingaben erzeugten Wellen verändern können.

Dies könnte erklären, wie sich die Reaktion des Gehirns auf etwas von Tag zu Tag ändern kann, sagen die Forscher.

Weitere Co-Autoren des Artikels sind Ambarish Pawar von Salk und Sunwoo Kwon von der University of California, Berkeley.

Die Arbeit wurde teilweise vom Sloan-Swartz Center for Theoretical Neurobiology des Salk Institute, dem Kavli Institute for Brain and Mind, der Conrad T. Prebys Foundation, den National Institutes of Health (R01-EY018613, R01-EY029117) und dem Engineering unterstützt und Forschungsrat für Physikalische Wissenschaften (EP/S032843/1).

DOI: 10.1126/sciadv.abl5865