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In der gesamten Hirnrinde sind Neuronen in sechs unterschiedlichen Schichten angeordnet, die mit einem Mikroskop gut erkennbar sind. Ein Team von MIT-Neurowissenschaftlern hat nun herausgefunden, dass diese Schichten auch unterschiedliche Muster elektrischer Aktivität aufweisen, die in vielen Gehirnregionen und bei mehreren Tierarten, einschließlich Menschen, konsistent sind.
Die Forscher fanden heraus, dass die Neuronenaktivität in den obersten Schichten von schnellen Schwingungen, den sogenannten Gammawellen, dominiert wird. In den tieferen Schichten überwiegen langsamere Schwingungen, sogenannte Alpha- und Betawellen. Die Universalität dieser Muster legt nahe, dass diese Schwingungen wahrscheinlich eine wichtige Rolle im gesamten Gehirn spielen, sagen die Forscher.
Die Arbeit ist veröffentlicht in Naturneurowissenschaften.
„Wenn man etwas so Konsistentes und Allgegenwärtiges im gesamten Kortex sieht, spielt es eine sehr grundlegende Rolle bei der Arbeit des Kortex“, sagt Earl Miller, Picower-Professor für Neurowissenschaften, Mitglied des Picower Institute for Learning and Memory des MIT und einer der leitende Autoren der neuen Studie.
Ungleichgewichte in der Art und Weise, wie diese Schwingungen miteinander interagieren, könnten an Störungen des Gehirns wie der Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung beteiligt sein, sagen die Forscher.
„Es ist bekannt, dass übermäßig synchrone neuronale Aktivität bei Epilepsie eine Rolle spielt, und jetzt vermuten wir, dass verschiedene Pathologien der Synchronität zu vielen Störungen des Gehirns beitragen können, einschließlich Störungen der Wahrnehmung, Aufmerksamkeit, des Gedächtnisses und der motorischen Kontrolle. In einem Orchester spielte ein Instrument.“ Nichtsynchronisation mit dem Rest kann die Kohärenz des gesamten Musikstücks stören“, sagt Robert Desimone, Direktor des McGovern Institute for Brain Research am MIT und einer der leitenden Autoren der Studie.
André Bastos, Assistenzprofessor für Psychologie an der Vanderbilt University, ist ebenfalls leitender Autor des Artikels. Die Hauptautoren sind der MIT-Forscher Diego Mendoza-Halliday und der MIT-Postdoc Alex Major.
Aktivitätsebenen
Das menschliche Gehirn enthält Milliarden von Neuronen, von denen jedes sein eigenes elektrisches Zündmuster hat. Zusammen erzeugen Gruppen von Neuronen mit ähnlichen Mustern Schwingungen elektrischer Aktivität oder Gehirnwellen, die unterschiedliche Frequenzen haben können. Millers Labor hat zuvor gezeigt, dass hochfrequente Gamma-Rhythmen mit der Kodierung und dem Abruf sensorischer Informationen verbunden sind, während niederfrequente Beta-Rhythmen als Kontrollmechanismus fungieren, der bestimmt, welche Informationen aus dem Arbeitsgedächtnis ausgelesen werden.
Sein Labor hat außerdem herausgefunden, dass in bestimmten Teilen des präfrontalen Kortex verschiedene Gehirnschichten unterschiedliche Schwingungsmuster aufweisen: schnellere Schwingungen an der Oberfläche und langsamere Schwingungen in den tieferen Schichten. Eine von Bastos während seiner Zeit als Postdoktorand in Millers Labor durchgeführte Studie zeigte, dass bei der Ausführung von Arbeitsgedächtnisaufgaben bei Tieren in tieferen Schichten erzeugte Rhythmen mit niedrigerer Frequenz die in den oberflächlichen Schichten erzeugten Gamma-Rhythmen mit höherer Frequenz regulierten.
Neben dem Arbeitsgedächtnis ist die Großhirnrinde auch der Sitz des Denkens, der Planung und der Verarbeitung von Emotionen und Sinnesinformationen auf hoher Ebene. In den an diesen Funktionen beteiligten Regionen sind die Neuronen in sechs Schichten angeordnet, und jede Schicht weist ihre eigene charakteristische Kombination von Zelltypen und Verbindungen zu anderen Gehirnbereichen auf.
„Der Kortex ist anatomisch in sechs Schichten organisiert, egal ob man Mäuse, Menschen oder andere Säugetierarten betrachtet, und dieses Muster ist in allen kortikalen Bereichen jeder Art vorhanden“, sagt Mendoza-Halliday. „Leider wurden diese Schichten in vielen Studien zur Gehirnaktivität ignoriert, denn wenn man die Aktivität von Neuronen aufzeichnet, ist es schwierig zu verstehen, wo sie sich im Kontext dieser Schichten befinden.“
In der neuen Arbeit wollten die Forscher untersuchen, ob das geschichtete Oszillationsmuster, das sie im präfrontalen Kortex beobachtet hatten, weiter verbreitet ist und in verschiedenen Teilen des Kortex und bei verschiedenen Arten auftritt.
Mithilfe einer Kombination aus Daten aus Millers Labor, Desimones Labor und Laboren von Mitarbeitern von Vanderbilt, dem Niederländischen Institut für Neurowissenschaften und der University of Western Ontario konnten die Forscher 14 verschiedene Bereiche des Kortex von vier Säugetierarten analysieren . Zu diesen Daten gehörten Aufzeichnungen der elektrischen Aktivität von drei menschlichen Patienten, denen im Rahmen eines chirurgischen Eingriffs Elektroden in das Gehirn eingeführt wurden.
Die Aufzeichnung aus einzelnen kortikalen Schichten war in der Vergangenheit schwierig, da jede Schicht weniger als einen Millimeter dick ist und es daher schwierig ist, zu wissen, aus welcher Schicht eine Elektrode aufzeichnet. Für diese Studie wurde die elektrische Aktivität mithilfe spezieller Elektroden aufgezeichnet, die alle Schichten gleichzeitig aufzeichnen und die Daten dann in einen neuen Rechenalgorithmus einspeisen, den die Autoren entwickelt haben und der als FLIP (frequenzbasiertes Schichtidentifizierungsverfahren) bezeichnet wird. Dieser Algorithmus kann bestimmen, von welcher Schicht jedes Signal stammt.
„Neuere Technologien ermöglichen die gleichzeitige Aufzeichnung aller Schichten des Kortex. Dies zeichnet eine breitere Perspektive der Mikroschaltungen und ermöglichte es uns, dieses Schichtmuster zu beobachten“, sagt Major. „Diese Arbeit ist spannend, weil sie sowohl Aufschluss über ein grundlegendes Mikroschaltkreismuster gibt als auch eine robuste neue Technik zur Untersuchung des Gehirns bietet. Es spielt keine Rolle, ob das Gehirn eine Aufgabe ausführt oder ruht und kann in nur fünf Minuten beobachtet werden.“ auf 10 Sekunden.“
Über alle Arten hinweg und in jeder untersuchten Region fanden die Forscher das gleiche geschichtete Aktivitätsmuster.
„Wir haben eine Massenanalyse aller Daten durchgeführt, um zu sehen, ob wir in allen Bereichen des Kortex das gleiche Muster finden konnten, und voilà, es war überall. Das war ein echter Hinweis darauf, dass das, was zuvor in einigen Bereichen beobachtet worden war, auch so war.“ stellt einen grundlegenden Mechanismus im gesamten Kortex dar“, sagt Mendoza-Halliday.
Das Gleichgewicht bewahren
Die Ergebnisse stützen ein Modell, das Millers Labor zuvor entwickelt hat und das besagt, dass die räumliche Organisation des Gehirns ihm dabei hilft, neue Informationen, die durch hochfrequente Schwingungen übertragen werden, in bestehende Erinnerungen und Gehirnprozesse zu integrieren, die durch niederfrequente Schwingungen aufrechterhalten werden . Während Informationen von Schicht zu Schicht weitergegeben werden, können Eingaben nach Bedarf integriert werden, um das Gehirn bei der Ausführung bestimmter Aufgaben wie dem Backen eines neuen Keksrezepts oder dem Merken einer Telefonnummer zu unterstützen.
„Die Konsequenz einer laminaren Trennung dieser Frequenzen könnte, wie wir beobachtet haben, darin bestehen, dass oberflächliche Schichten externe sensorische Informationen mit schnelleren Frequenzen darstellen können und tiefere Schichten interne kognitive Zustände mit langsameren Frequenzen darstellen können“, sagt Bastos. „Die Schlussfolgerung auf hoher Ebene ist, dass der Kortex über mehrere Mechanismen verfügt, die sowohl Anatomie als auch Schwingungen umfassen, um ‚externe‘ von ‚internen‘ Informationen zu trennen.“
Nach dieser Theorie können Ungleichgewichte zwischen hoch- und niederfrequenten Schwingungen entweder zu Aufmerksamkeitsdefiziten wie ADHS führen, wenn die höheren Frequenzen dominieren und zu viele Sinnesinformationen eingehen, oder zu Wahnstörungen wie Schizophrenie, wenn auch die niederfrequenten Schwingungen dominieren Es gelangen starke und nicht genügend sensorische Informationen.
„Das richtige Gleichgewicht zwischen den Kontrollsignalen von oben nach unten und den sensorischen Signalen von unten nach oben ist wichtig für alles, was der Kortex tut“, sagt Miller. „Wenn das Gleichgewicht schiefgeht, kommt es zu einer Vielzahl neuropsychiatrischer Störungen.“
Die Forscher untersuchen nun, ob die Messung dieser Schwingungen bei der Diagnose solcher Störungen helfen könnte. Sie untersuchen auch, ob die Neuausrichtung der Schwingungen das Verhalten verändern könnte – ein Ansatz, der eines Tages zur Behandlung von Aufmerksamkeitsdefiziten oder anderen neurologischen Störungen eingesetzt werden könnte, sagen die Forscher.
Die Forscher hoffen auch, mit anderen Labors zusammenzuarbeiten, um die geschichteten Schwingungsmuster in verschiedenen Gehirnregionen detaillierter zu charakterisieren.
„Unsere Hoffnung ist, dass wir mit genügend dieser standardisierten Berichterstattung beginnen werden, gemeinsame Aktivitätsmuster in verschiedenen Bereichen oder Funktionen zu erkennen, die einen gemeinsamen Berechnungsmechanismus offenbaren könnten, der für motorische Leistungen, für das Sehen, für Gedächtnis und Aufmerksamkeit verwendet werden kann.“ und so weiter“, sagt Mendoza-Halliday.
Mehr Informationen:
Ein allgegenwärtiges spektrolaminares Motiv der lokalen Feldpotentialkraft im Primatenkortex, Naturneurowissenschaften (2024). DOI: 10.1038/s41593-023-01554-7. www.nature.com/articles/s41593-023-01554-7
Bereitgestellt vom Massachusetts Institute of Technology
Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/) erneut veröffentlicht, einer beliebten Website, die Neuigkeiten über Forschung, Innovation und Lehre des MIT berichtet.
Zitat: Studie zeigt ein universelles Muster der Gehirnwellenfrequenzen bei Säugetierarten (2024, 18. Januar), abgerufen am 18. Januar 2024 von https://medicalxpress.com/news/2024-01-reveals-universal-pattern-brain-frequencies.html
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