Erfolgreich durch Teamarbeit: Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie Gehirnzellen Informationen in Gruppen filtern

Erfolgreich durch Teamarbeit: Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie Gehirnzellen Informationen in Gruppen filtern

Die Entdeckung von Salk könnte dazu beitragen, besser zu verstehen, wie Neuronen in Netzwerken zusammenarbeiten, um unsere Wahrnehmung der Welt zu formen

LA JOLLA – Wenn wir die Welt um uns herum wahrnehmen, scheinen bestimmte Objekte auffälliger zu sein als andere, je nachdem, was wir tun. Wenn wir beispielsweise aus der Ferne einen bewaldeten Berg betrachten, sieht der Wald wie ein großer grüner Teppich aus. Doch je näher wir kommen, desto mehr fallen uns die einzelnen Bäume auf und der Wald tritt in den Hintergrund. Was passiert im Gehirn, wenn sich unsere Erfahrung so drastisch verändert?

Jahrzehntelang gingen Wissenschaftler, die das visuelle System untersuchten, davon aus, dass einzelne Gehirnzellen, sogenannte Neuronen, als Filter fungieren. Einige Neuronen würden grobe Details der visuellen Szene bevorzugen und feine Details ignorieren, während andere das Gegenteil tun würden. Man ging davon aus, dass jedes Neuron seine eigene Filterung durchführt.

Eine neue Studie unter der Leitung von Forschern des Salk Institute stellt diese Ansicht in Frage. Die Studie ergab, dass dieselben Neuronen, die grobe Details bevorzugen, unter verschiedenen Bedingungen dazu wechseln könnten, feinere Details zu bevorzugen. Die Arbeit, die in der Zeitschrift erschien Neuron am 31. Dezember 2018 könnte dazu beitragen, neuronale Mechanismen besser zu verstehen, die unsere Wahrnehmung der Welt prägen.

„Wir haben versucht, unter die Haube zu schauen und herauszufinden, wie diese Filter funktionieren“, sagt Professor Thomas Albrecht, Direktor des Salk Center for Neurobiology of Vision und leitender Autor der Studie.

„Man ging davon aus, dass die Selektivität von Neuronen stabil ist, aber unsere Arbeit hat gezeigt, dass die Filtereigenschaften von Neuronen viel flexibler sind als bisher angenommen“, fügt Ambarish Pawar, Erstautor der Studie und Postdoktorand bei Salk, hinzu.

Das Team konzentrierte sich in einem Tiermodell auf Neuronen im visuellen Kortex. Den Tieren wurden optische Muster gezeigt, in denen die Forscher den Kontrast zwischen dunklen und hellen Bereichen variierten und die Präferenzen der Neuronen für grobe und feine Details maßen. Ziel war es zu sehen, wie Neuronen diese Muster verarbeiten, insbesondere im mittleren Schläfenbereich des Gehirns innerhalb der visuellen Rinde. Die Wissenschaftler erwarteten, dass die Neuronen streng darauf „abgestimmt“ seien, entweder grobe oder feine Details wahrzunehmen, aber nicht beides. Stattdessen fanden sie heraus, dass ein einzelnes Neuron je nach Kontrast des Musters sowohl feine als auch grobe Details filtern kann.

Durch die Messung der Feuerraten mehrerer Neuronen, die durch die optischen Reize aktiviert wurden, zeigten die Forscher, dass eine solche Flexibilität wahrscheinlicher ist, wenn ganze Netzwerke von Neuronen als Filter fungierten und nicht einzelne Neuronen.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die bisher übliche Beschreibung einzelner Neuronen als Filter falsch war“, sagt er Sergei Gepshtein, Wissenschaftler am Center for Neurobiology of Vision in Salk und Mitautor der neuen Studie.

„Die Präferenz von Neuronen kann sich aufgrund einer Veränderung des Gleichgewichts zwischen positiven (erregenden) Signalen und negativen (hemmenden) Signalen, durch die Neuronen im Netzwerk kommunizieren, verschieben“, fügt Pawar hinzu.

Die Forscher zeigten, dass die Zusammenarbeit Neuronennetzwerken ein hohes Maß an Flexibilität in ihren Präferenzen verleiht und das Gehirn leicht an die sich ändernden Bedingungen anpassen und abstimmen kann, so wie man ein Radio während der Fahrt auf einen guten Empfang einstellen könnte.

„Wir haben eine neue Dimension der Anpassungsfähigkeit kortikaler Netzwerke entdeckt“, sagt Gepshtein. „Unsere Ergebnisse machten deutlich, dass wir die Recheneinheiten des Gehirns neu überdenken müssen, um diese Anpassungsfähigkeit zu verstehen. Es ist das Team verbundener Neuronen – das formbare neuronale Netzwerk – das eignet sich eher als solche Einheit als als einzelnes Neuron.“

„Diese unerwartete Entdeckung könnte uns helfen, Licht auf die neuronalen Mechanismen zu werfen, die der enormen Anpassungsfähigkeit des Gehirns an eine sich ständig verändernde Umgebung zugrunde liegen“, sagt Pawar.

Albright fügt hinzu: „Obwohl sich die Studie auf das visuelle System konzentrierte, dürfte die gleiche flexible Qualität neuronaler Netze auch für andere Teile des Gehirns gelten.“

Nachdem sie die anpassungsfähigen neuronalen Netzwerke nun in Aktion gesehen haben, planen die Forscher als nächstes zu untersuchen, wie sich Änderungen in diesen Netzwerken auf das Verhalten auswirken.

Sergey Savel'ev von der Loughborough University ist ebenfalls Autor dieses Artikels.

Die Arbeit wurde vom National Eye Institute (NEI; R01 EY018613) des National Institute of Health, einem NEI Core Grant for Vision Research (P30 EY019005), der GemCon Family Foundation und Conrad T. Prebys finanziert.