Studie zeigt, dass die Struktur der unregelmäßigen neuronalen Verbindungsstärken eine verborgene Ordnung enthält
Im Gehirn entsteht unsere Wahrnehmung durch ein komplexes Zusammenspiel von Neuronen, die über Synapsen verbunden sind. Die Anzahl und Stärke der Verbindungen zwischen bestimmten Neuronentypen kann jedoch variieren. Forscher des Universitätsklinikums Bonn (UKB), des Universitätsklinikums Mainz und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) gemeinsam mit einem Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung in Frankfurt im Rahmen des DFG-geförderten Projekts Das Schwerpunktprogramm „Computational Connectomics“ (SPP2041) hat nun herausgefunden, dass die Struktur der scheinbar unregelmäßigen neuronalen Verbindungsstärken eine verborgene Ordnung enthält. Dies ist für die Stabilität des neuronalen Netzwerks von wesentlicher Bedeutung. Die Studie wurde jetzt in der Fachzeitschrift „PNAS“ veröffentlicht.
Vor zehn Jahren wurde die Konnektomik, also die Erstellung einer Karte der Verbindungen zwischen den rund 86 Milliarden Neuronen im Gehirn, zu einem zukünftigen Meilenstein der Wissenschaft erklärt. Denn in komplexen neuronalen Netzwerken sind Neuronen durch Tausende von Synapsen miteinander verbunden. Dabei ist die Stärke der Verbindungen zwischen einzelnen Neuronen wichtig, denn sie ist entscheidend für das Lernen und die kognitive Leistungsfähigkeit. „Jede Synapse ist jedoch einzigartig und ihre Stärke kann im Laufe der Zeit variieren. Selbst Experimente, bei denen der gleiche Synapsentyp in derselben Gehirnregion gemessen wurde, ergaben unterschiedliche Werte für die synaptische Stärke. Diese experimentell beobachtete Variabilität macht es jedoch schwierig, allgemeine Prinzipien zu finden.“ die robuste Funktion neuronaler Netzwerke“, erläutert Prof. Tatjana Tchumatchenko, Forschungsgruppenleiterin am Institut für Experimentelle Epileptologie und Kognitionsforschung des UKB und am Institut für Physiologische Chemie der Universitätsmedizin Mainz, die Motivation zur Durchführung der Studie .
Mathematik und Labor sinnvoll vereint
Im primären visuellen Kortex (V1) werden zunächst die visuellen Reize erfasst, die das Auge über den Thalamus, eine Schaltstelle für Sinneseindrücke im Zwischenhirn, weiterleitet. Die Forscher haben sich die Verbindungen zwischen den Neuronen, die bei diesem Prozess aktiv sind, genauer angesehen. Dazu haben die Forscher experimentell die gemeinsame Reaktion zweier Neuronenklassen auf unterschiedliche visuelle Reize im Mausmodell gemessen. Gleichzeitig verwendeten sie mathematische Modelle, um die Stärke synaptischer Verbindungen vorherzusagen. Um ihre im Labor aufgezeichneten Aktivitäten solcher Netzwerkverbindungen im primären visuellen Kortex zu erklären, verwendeten sie das sogenannte „stabilisierte supralineare Netzwerk“ (SSN). „Es ist eines der wenigen nichtlinearen mathematischen Modelle, das die einzigartige Möglichkeit bietet, theoretisch simulierte Aktivität mit tatsächlich beobachteter Aktivität zu vergleichen“, sagt Prof. Laura Busse, Forschungsgruppenleiterin an der Neurobiologie der LMU. „Wir konnten zeigen, dass die Kombination von SSN mit experimentellen Aufzeichnungen visueller Reaktionen im Thalamus und Kortex der Maus es uns ermöglicht, verschiedene Sätze von Verbindungsstärken zu bestimmen, die zu den aufgezeichneten visuellen Reaktionen im visuellen Kortex führen.“
Die Reihenfolge zwischen den Verbindungsstärken ist der Schlüssel
Die Forscher fanden heraus, dass hinter der beobachteten Variabilität der Synapsenstärke eine Ordnung steckte. Beispielsweise waren die Verbindungen von erregenden zu hemmenden Neuronen immer am stärksten, während die umgekehrten Verbindungen im visuellen Kortex schwächer waren. Dies liegt daran, dass die absoluten Werte der synaptischen Stärken in der Modellierung – wie bereits in den früheren experimentellen Studien – variierten, aber dennoch immer eine bestimmte Reihenfolge einhielten. Entscheidend für den Verlauf und die Stärke der gemessenen Aktivität sind daher nicht die absoluten Werte, sondern die relativen Verhältnisse.
Es ist bemerkenswert, dass die Analyse früherer direkter Messungen synaptischer Verbindungen die gleiche Reihenfolge der synaptischen Stärken ergab wie unsere Modellvorhersage, die allein auf gemessenen neuronalen Reaktionen basierte.“
Simon Renner, Ph.D., LMU Neurobiologie
Renners experimentelle Aufzeichnungen der kortikalen und thalamischen Aktivität ermöglichten die Charakterisierung der Verbindungen zwischen kortikalen Neuronen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die neuronale Aktivität viele Informationen über die zugrunde liegende Struktur neuronaler Netzwerke enthält, die aus direkten Messungen der Synapsenstärken nicht sofort ersichtlich sind. Somit eröffnet unsere Methode eine vielversprechende Perspektive für die Untersuchung von Netzwerkstrukturen, die experimentell schwer zugänglich sind.“ “ erklärt Nataliya Kraynyukova, Ph.D., vom Institut für Experimentelle Epileptologie und Kognitionsforschung des UKB und Max-Planck-Instituts für Hirnforschung in Frankfurt. Diese Studie ist das Ergebnis einer interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen dem Labor von Prof. Busse und Prof. Tchumatchenko, die eng zusammenarbeiteten und auf der rechnerischen und experimentellen Expertise ihrer Labore bauten.
Quelle:
Referenz:
Kraynyukova, N., et al. (2022) Extrazelluläre In-vivo-Aufzeichnungen thalamischer und kortikaler visueller Reaktionen offenbaren V1-Konnektivitätsregeln. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207032119.
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