Wandernde Gehirnwellen helfen dabei, schwer sichtbare Objekte zu erkennen

Wandernde Gehirnwellen helfen dabei, schwer sichtbare Objekte zu erkennen

Salk-Wissenschaftler entdecken Muster neuronaler Wellen im wachen Gehirn, die bei der Erkennung von Objekten helfen

LA JOLLA – Stellen Sie sich vor, Sie kommen zu spät zur Arbeit und suchen verzweifelt nach Ihren Autoschlüsseln. Sie haben das ganze Haus durchsucht, können sie aber scheinbar nirgends finden. Plötzlich wird Ihnen klar, dass Ihre Schlüssel die ganze Zeit direkt vor Ihnen gelegen haben. Warum hast du sie bis jetzt nicht gesehen?

Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern des Salk Institute unter der Leitung von Professor John Reynolds hat Details der neuronalen Mechanismen aufgedeckt, die der Wahrnehmung von Objekten zugrunde liegen. Sie fanden heraus, dass Muster neuronaler Signale, sogenannte wandernde Gehirnwellen, im visuellen System des wachen Gehirns existieren und so organisiert sind, dass das Gehirn Objekte wahrnehmen kann, die schwach oder aus anderen Gründen schwer zu sehen sind. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Natur im Oktober 7, 2020.

„Wir haben herausgefunden, dass schwache Objekte viel wahrscheinlicher gesehen werden, wenn die Visualisierung des Objekts zeitlich mit den wandernden Gehirnwellen abgestimmt ist. Die Wellen fördern tatsächlich die Wahrnehmungssensibilität, sodass es Momente gibt, in denen man Dinge sehen kann, die man sonst nicht sehen könnte“, sagt Reynolds, leitender Autor der Arbeit und Inhaber des Fiona and Sanjay Jha-Lehrstuhls für Neurowissenschaften. „Es stellt sich heraus, dass diese wandernden Gehirnwellen ein Informationssammelprozess sind, der zur Wahrnehmung eines Objekts führt.“

Wissenschaftler haben wandernde Gehirnwellen während der Anästhesie untersucht, die Wellen jedoch als Artefakt der Anästhesie abgetan. Reynolds‘ Team fragte sich jedoch, ob diese Wellen im visuellen Teil des Gehirns im Wachzustand existieren und ob sie eine Rolle bei der Wahrnehmung spielen. Sie kombinierten Aufzeichnungen im visuellen Kortex mit modernsten Computertechniken, die es ihnen ermöglichten, wandernde Gehirnwellen zu erkennen und zu verfolgen.

„Um die neuronalen Mechanismen der Wahrnehmung zu verstehen, mussten wir neue Rechentechniken entwickeln, um die neuronale Aktivität im visuellen Kortex Moment für Moment zu verfolgen“, sagt Co-Erstautor Lyle Muller, von BrainsCAN finanzierter Assistenzprofessor am Fachbereich Angewandte Mathematik und am Brain and Mind Institute der Western University in Ontario, Kanada, und zuvor Postdoktorand im Sejnowski-Labor in Salk. „Mit diesen Rechenmethoden haben wir dann herausgefunden, welche Veränderung im Nervensystem stattfand, um plötzlich die Objekterkennung zu ermöglichen.“

Die Wissenschaftler zeichneten die Aktivität der Neuronen in einem Bereich des Gehirns auf, der eine vollständige Karte der visuellen Welt enthielt. Anschließend verfolgten sie die Flugbahnen der wandernden Gehirnwellen während einer visuellen Wahrnehmungsaufgabe. Die Wissenschaftler hielten ein auf dem Bildschirm angezeigtes Ziel an der Schwelle der Sichtbarkeit, sodass Beobachter das Objekt nur in 50 Prozent der Fälle erkennen konnten, und zeichneten auf, wann das Ziel entdeckt wurde. Da sich das Ziel nicht veränderte, schlussfolgerten die Forscher, dass die Fähigkeit des Beobachters, das Objekt nur in der Hälfte der Zeit wahrzunehmen, auf eine Veränderung der neuronalen Signale im Gehirn zurückzuführen sein musste.

Sie fanden heraus, dass die Fähigkeit des Gehirns, Ziele zu erkennen, direkt davon abhängt, wann und wo die wandernden Gehirnwellen im visuellen System auftraten: Wenn die wandernden Wellen mit dem Reiz ausgerichtet waren, konnte der Beobachter das Ziel leichter erkennen. Diese wandernden Gehirnwellen, die mehrmals pro Sekunde auftraten, ähnelten einem Stadion mit Sportfans, die nacheinander aufstehen und ihre Arme heben, sie dann senken und sich wieder hinsetzen. Es scheint, dass das visuelle System die äußere Umgebung aktiv wahrnimmt, so das Team.

„Es gibt ein spontanes Aktivitätsniveau im Gehirn, das offenbar durch diese Wanderwellen reguliert wird“, sagt Salk-Professor Terrence Sejnowski, ein Autor des Artikels und Inhaber des Francis Crick Chair. „Wir glauben, dass die Wellen das Produkt der Aktivität sind, die sich im Gehirn ausbreitet und durch das Feuern lokaler Neuronen angetrieben wird.“

„Wir gehen unserem Alltag nach und denken, dass wir die Welt genau sehen, aber in Wirklichkeit trägt unser Gehirn Details ein, die schwer zu erkennen sind“, sagt Zac Davis, Co-Erstautor und korrespondierender Autor des Artikels und ein Salk-Mitarbeiter Postdoktorand im Reynolds-Labor. „Jetzt haben wir herausgefunden, wie das Gehirn schwer erkennbare Informationen zusammenfügt, um ein Objekt wahrzunehmen.“

Zukünftig wollen die Wissenschaftler untersuchen, ob diese Gehirnwellen über verschiedene Gehirnregionen hinweg koordiniert werden, die für das Sehen zuständig sind. Die Forscher gehen davon aus, dass die Gehirnwellen als Tor zwischen der sensorischen Verarbeitung und der bewussten Wahrnehmung dienen könnten, die aus dem gesamten Gehirn hervorgeht.

Julio-Martinez Trujillo von der Western University war ebenfalls Autor dieses Artikels.

Die Arbeit wurde vom Dan and Martina Lewis Biophotonics Fellowship unterstützt; die Gatsby Charitable Foundation; der Fiona und Sanjay Jha Lehrstuhl für Neurowissenschaften; das Kanadische Institut für Gesundheitsforschung; die Swartz-Stiftung; und die National Institutes of Health (R01-EY028723, T32 EY020503-06 und T32 MH020002-16A).

DOI: 10.1038 / s41586-020-2802-y