UCI-Neurowissenschaftler entdecken zugrunde liegende Mechanismen hinter der hochrangigen Arbeit des Gehirns
Unsere Fähigkeit zu denken, zu entscheiden, sich an aktuelle Ereignisse zu erinnern und mehr, stammt aus dem Neokortex unseres Gehirns. Jetzt haben Neurowissenschaftler der University of California, Irvine, Schlüsselaspekte der Mechanismen hinter diesen Funktionen entdeckt. Ihre Ergebnisse könnten letztendlich dazu beitragen, die Behandlung bestimmter neuropsychiatrischer Erkrankungen und Hirnverletzungen zu verbessern. Ihre Studie erscheint in Neuron.
Wissenschaftler wissen seit langem, dass der Neocortex sogenannte Feedforward- und Feedback-Informationsströme integriert. Feedforward-Daten werden von den sensorischen Systemen des Gehirns von der Peripherie (unseren Sinnen) an die Bereiche höherer Ordnung des Neokortex weitergeleitet. Diese hochrangigen Gehirnregionen senden dann Feedback-Informationen, um die sensorische Verarbeitung zu verfeinern und anzupassen. Diese hin- und hergehende Kommunikation ermöglicht es dem Gehirn, aufmerksam zu sein, Kurzzeitgedächtnisse zu behalten und Entscheidungen zu treffen.
Ein einfaches Beispiel ist, wenn Sie eine stark befahrene Straße überqueren möchten. Es gibt Bäume, Menschen, fahrende Fahrzeuge, Ampeln, Schilder und mehr. Ihr übergeordneter Neocortex teilt Ihrem sensorischen System mit, welche Aufmerksamkeit verdient wird, um zu entscheiden, wann es hinübergehen soll.“
Gyorgy Lur, Ph.D., korrespondierender Autor, Assistenzprofessor für Neurobiologie und Verhalten, School of Biological Sciences
Die Interaktion zwischen übergeordneten und untergeordneten Systemen ermöglicht es uns auch, uns daran zu erinnern, was Sie gesehen haben, als Sie in beide Richtungen geblickt haben, um die Informationen zu sammeln. „Wenn Sie dieses Kurzzeitgedächtnis nicht hätten, würden Sie einfach immer wieder hin und her schauen und sich nie bewegen“, sagte er. „Tatsächlich würden wir, wenn unsere Feedforward- und Feedback-Streams nicht ständig zusammenarbeiten würden, sehr wenig tun, außer durch Reflexe zu reagieren.“
Wissenschaftler waren sich bisher nicht sicher, wie Neuronen im Gehirn an diesen komplexen Prozessen beteiligt sind. Lur und seine Kollegen entdeckten, dass Feedforward- und Feedback-Signale auf einzelne Neuronen in den Parietalregionen des Neokortex konvergieren. Die Forscher fanden auch heraus, dass unterschiedliche Arten von kortikalen Neuronen die beiden Informationsströme auf deutlich unterschiedlichen Zeitskalen zusammenführen, und identifizierten die Zell- und Schaltkreisarchitektur, die diese Unterschiede untermauert.
„Wissenschaftler wussten bereits, dass die Integration mehrerer Sinne die neuronalen Reaktionen verbessert“, sagte Lur. „Wenn Sie etwas nur sehen oder nur hören, ist Ihre Reaktionszeit langsamer, als wenn Sie es mit beiden Sinnen gleichzeitig wahrnehmen. Wir haben die zugrunde liegenden Mechanismen identifiziert, die dies ermöglichen.“
Er stellte fest, dass die Studiendaten darauf hindeuten, dass die gleichen Prinzipien gelten, wenn ein Informationsstrom sensorisch und der andere kognitiv ist.
Das Verständnis dieser Prozesse ist entscheidend für die Entwicklung zukünftiger Behandlungen für neuropsychiatrische Erkrankungen wie sensorische Verarbeitungsstörungen, Schizophrenie und ADHS sowie für Schlaganfälle und andere Verletzungen des Neocortex.
Lur ist Fellow des Center for the Neurobiology of Learning and Memory, des Center for Neural Circuit Mapping und des Center for Hearing Research an der UC Irvine.
Ph.D. Kandidat Daniel Rindner, der alle neuronalen Aufzeichnungen und biologischen Gewebearbeiten durchführte, fungierte als Erstautor der Arbeit. Archana Proddutur, Ph.D., Postdoktorandin im Labor und Zweitautorin des Artikels, führte eine Computermodellierung durch, die zum mechanistischen Verständnis der Prozesse führte, die sensorische und kognitive Informationsströme integrieren. Ihre Forschung wurde von der Whitehall Foundation, dem National Institute of Mental Health, dem National Institute of Neurological Disorders and Stroke und dem National Institute on Deafness and Other Communications Disorders unterstützt.
Quelle:
Universität von Kalifornien, Irvine
Referenz:
Rindner, DJ, et al. (2022)Zelltypspezifische Integration von synaptischen Feedforward- und Feedback-Eingängen im posterioren parietalen Kortex. Neuron. doi.org/10.1016/j.neuron.2022.08.019.
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