Ein redundantes modulares Netzwerk unterstützt die richtige Gehirnkommunikation

Einnahme von Medikamenten

Rufen Sie sich eine Telefonnummer oder eine gerade genannte Wegbeschreibung ins Gedächtnis, und Ihr Gehirn wird aktiv über viele Regionen hinweg kommunizieren. Es wird angenommen, dass das Arbeitsgedächtnis auf Interaktionen zwischen diesen Regionen beruht, aber wie diese Gehirnbereiche interagieren und das Gedächtnis richtig darstellen, ist ein Rätsel geblieben.

Am Baylor College of Medicine untersuchten Dr. Nuo Li, Assistenzprofessor für Neurowissenschaften und McNair-Stipendiat, und seine Kollegen die Art der Kommunikation zwischen Gehirnregionen, die am Arbeitsgedächtnis beteiligt sind, und fanden Beweise dafür, dass eine modulare Netzwerkorganisation für anhaltende neuronale Aktivität entscheidend ist .

Wie Gehirnregionen kommunizieren

Li und seine Kollegen konnten feststellen, dass jede Gehirnhälfte eine separate Darstellung eines Gedächtnisses hat. Die Hemisphären sind jedoch von Moment zu Moment eng koordiniert, was zu hochkohärenten Informationen während des Arbeitsgedächtnisses führt.

In ihrer Studie haben die Forscher Mäuse in ein einfaches Verhalten eingebunden, bei dem sie bestimmte Informationen speichern müssen. Sie wurden darauf trainiert, eine angewiesene Aktion um einige Sekunden zu verzögern. Diese Zeitverzögerung gab den Forschern die Möglichkeit, die Gehirnaktivität während des Gedächtnisprozesses zu untersuchen.

„Wir sahen viele Neuronen, die gleichzeitig koordiniert aus beiden Hemisphären des Kortex feuerten. Wenn die Aktivität in einer Region zunahm, folgte die andere Region dicht darauf. Wir vermuteten, dass die Interaktionen zwischen den Gehirnhemisphären für dieses Gedächtnis verantwortlich sind“, sagte Li.

Li und seine Kollegen zeichneten die Aktivität in jeder Hemisphäre auf und zeigten, dass jeder während des Gedächtnisprozesses seine eigene Kopie der Informationen erstellte. Wie kommunizieren die beiden Hemisphären?

Li erklärte, dass sie durch den Einsatz von Optogenetik in der Lage waren, Informationen in einer einzigen Hemisphäre zu verfälschen und Tausende von Neuronen während der Gedächtnisperiode zu beeinflussen. Was sie fanden, war unerwartet.

„Als wir eine Hemisphäre störten, hat der andere Bereich die Kommunikation abgeschaltet, was im Grunde verhindert, dass sich die Korruption ausbreitet und die Aktivitäten in anderen Regionen beeinträchtigt“, sagte Li. „Das ist vergleichbar mit modernen Netzen wie Stromnetzen. Sie sind angeschlossen, um den Stromfluss zu ermöglichen, aber auch auf Fehler zu überwachen und Verbindungen bei Bedarf zu unterbrechen, damit das gesamte Stromnetz nicht ausfällt.“

In Zusammenarbeit mit Dr. Shaul Druckmann und Ph.D. Studenten Byungwoo Kang von der Stanford University entwickelten die Forscher theoretische Analysen und Netzwerksimulationen dieses Prozesses, die zeigen, dass diese modulare Organisation im Gehirn entscheidend für die Robustheit der anhaltenden neuronalen Aktivität ist. Diese Robustheit könnte dafür verantwortlich sein, dass das Gehirn bestimmten Verletzungen standhält und die kognitive Funktion vor Ablenkungen schützt.

„Das Verständnis der redundanten modularen Organisation des Gehirns wird wichtig sein, um neuronale Modulations- und Reparaturstrategien zu entwickeln, die mit der natürlichen Informationsverarbeitung des Gehirns kompatibel sind“, sagte Li.