Enthüllen, wie „Reise“-Gehirnwellen helfen können, das Gedächtnis zu verstehen

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Nach mehr als einem Jahrhundert Forschung ist die Bedeutung von Gehirnwellen – die koordinierte, rhythmische elektrische Aktivität von Gruppen von Gehirnzellen – immer noch nicht vollständig verstanden. Ein besonders unterschätzter Aspekt des Phänomens ist, dass sich die Wellen im Laufe der Zeit durch den Raum ausbreiten oder durch Regionen des Gehirns „reisen“. Eine neue Studie von Forschern des Picower Institute for Learning and Memory am MIT hat gemessen, wie sich Wellen während des Arbeitsgedächtnisses durch den präfrontalen Kortex des Gehirns bewegen, um die funktionellen Vorteile zu untersuchen, die diese scheinbare Bewegung hervorrufen kann.

„Der größte Teil der neurowissenschaftlichen Literatur beinhaltet das Gruppieren von Elektroden und das Analysieren von Zeitvariationen“, wie z. B. Leistungsänderungen bei einer bestimmten Frequenz, sagte der Hauptautor Sayak Bhattacharya, ein Picower-Postdoktorand im Labor des Hauptautors und Professors Picower. Graf Müller. „Es ist wichtig zu verstehen, dass es auch räumliche Feinheiten gibt. Gehirnschwingungen wandern in Form von Wanderwellen durch den Kortex. Diese Wellen ähneln Stadionwellen, bei denen sich eigentlich nichts bewegt, aber das sequentielle Ein- und Ausschalten der Nachbarn lässt es wie eine Wanderwelle aussehen.

Mit anderen Worten, während Neuronen unter einer abhörenden Elektrode vor Aktivität bei einer bestimmten Frequenz explodieren können, ist es auch wahr, dass benachbarte Neuronen in einer bestimmten Richtung, kurz bevor sie aufwachen, dies getan haben und sehr bald andere Neuronen auf der gegenüberliegenden Seite folgen werden . Kombination. Bhattacharya, Miller und ihre Co-Autoren führten die in veröffentlichte Studie durch Computational Biology PLOS um zu erfahren, was dies für die lebenswichtige Gehirnfunktion des Arbeitsgedächtnisses bedeuten könnte, wo wir neue Informationen im Hinterkopf behalten müssen, um sie zu nutzen. So erinnern wir uns an die Wegbeschreibung zur Toilette, die uns gerade gesagt wurde, oder an Tagesgerichte in einem Restaurant.

Dazu öffneten sie alte Daten, die sie über Tiere gespeichert hatten, während sie ein einfaches Arbeitsgedächtnisspiel spielten. Die Tiere würden ein einzelnes Bild auf einem Bildschirm sehen und nach einer kurzen Pause würden sie es zusammen mit einigen anderen Bildern sehen. Um eine kleine Belohnung zu erhalten, mussten sie ihren Blick auf das Originalbild richten. Es ist ein einfaches Spiel, aber die kleinen Schritte (das neue Bild betrachten, sich beim Innehalten daran erinnern, es erkennen und es als Gruppe betrachten) sorgen für unterschiedliche Momente der Wahrnehmung, Erinnerung und dann der Nutzung. Durch das Durchkämmen der Elektrodenaufzeichnungen, die bei den Tieren während der Spielsitzungen gemacht wurden, konnte Bhattacharya analysieren, ob und wie sich die aufgezeichneten Wellen zu jedem Zeitpunkt bewegten.

Was er entdeckte, war, dass es viele unterschiedliche Wellen in verschiedenen Frequenzbändern gab, die sich in verschiedenen Richtungen durch die Elektroden ausbreiteten. Sorgfältige Berechnungen ergaben, dass die Wellen tatsächlich um zentrale anatomische Punkte im präfrontalen Kortex kreisten (wieder, wie die Welle in einem Fußballstadion um das Spielfeld kreist). Dies ist bemerkenswert, da in anderen Studien über Wanderwellen die Wellen im Allgemeinen planar sind, was bedeutet, dass sie sich einfach von Ort zu Ort bewegen, anstatt sich wie auf einem Bahnrennen zu bewegen.

Außerdem, sagte Miller, änderten die Wellen ihre Richtung besonders stark. Bei inaktiven Tieren waren unterschiedliche Bewegungsrichtungen (z. B. im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) etwa gleichmäßig gemischt, aber zu unterschiedlichen Zeiten in der Aufgabe wurden bestimmte Richtungen in verschiedenen Frequenzbändern signifikant wichtiger. Dies galt insbesondere für Beta-Frequenzwellen, die in ihrer Richtung nur viel gleichmäßiger wurden, während die Tiere das Spiel spielten, während andere Frequenzen in bestimmten Phasen des Spiels (z. B. wenn das erste Bild präsentiert wurde) stärker in bestimmte Richtungen gewichtet wurden. . Diese Veränderungen deuten darauf hin, dass Richtungen wichtig dafür sind, wie das Gehirn seine Reaktion auf die Aufgabe organisiert.

„Wellen bewegen sich normalerweise, aber das Gehirn kann die Art und Weise, wie sich die Wellen ausbreiten, verändern, um sich an verschiedene kognitive Funktionen anzupassen“, sagte Miller.

Tatsächlich könnten rotierende Wanderwellen einer Aufgabe wie dem Arbeitsgedächtnis auf verschiedene Weise helfen, bemerkte er. Beispielsweise ist es eine Schlüsselanforderung des Arbeitsgedächtnisses, Informationen im Vordergrund des bewussten Denkens zu halten, während sie benötigt werden. Eine stehende Welle (eine Welle, bei der alle beteiligten Neuronen gleichzeitig „ein-“ oder „ausgeschaltet“ werden) würde bedeuten, dass Informationen möglicherweise nicht verfügbar sind, wenn die Aktivität in der gesamten Gruppe ausgeschaltet ist. Bei einer rotierenden progressiven Welle ist immer irgendwo um den Kreis herum Aktivität – genau wie in einem Stadion von Fans, die „die Welle“ machen, steigt der nächste Abschnitt an, sobald sich der vorherige hinsetzt.

Als weiteres Beispiel könnten rotierende Wellen Neuronen mit regelmäßig wiederkehrender Stimulation mit präzisem Timing versorgen, fuhr Miller fort. Dies kann die Stärkung der Verbindungen innerhalb dieser koordinierten Cluster über ein Phänomen namens Spike-Timing-abhängige Plastizität fördern, bei dem das Timing der Eingabe eines Neurons beeinflusst, wie stark es sich mit dem Signalpartner verbindet. Die Forscher glauben auch, dass das Timing auch in einer anderen Funktion des präfrontalen Kortex eine Rolle spielen könnte: Vorhersagen treffen.

Es muss noch mehr Arbeit geleistet werden, um sicher zu wissen, wie Wanderwellen das Arbeitsgedächtnis unterstützen. Bhattacharya sagte, neue Informationen könnten aus der Untersuchung kommen, wie sie aussehen, wenn das Arbeitsgedächtnis nicht funktioniert.

„Diese Arbeitsgedächtnisaufgabe war ziemlich einfach und unsere Tiere haben sie ohne allzu große Fehler gemacht“, sagte er. „Wir wollen kompliziertere Aufgaben untersuchen – vielleicht Multi-Item-Arbeitsgedächtnis – und testen, ob Wanderwellen beim Trial-and-Error irgendwie gestört werden. Das würde zu einigen interessanten Erkenntnissen über die Rechenkapazitäten dieser Wellen führen.

Bezug: Bhattacharya S., Brincat SL. Lundqvist M., Miller EK. Wandernde Wellen im präfrontalen Kortex während des Arbeitsgedächtnisses. PLoS-Berechnung. Organisch. 2022;18(1):e1009827. mache ich: 10.1371/log.pcbi.1009827

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