Brain Cell "Chorus" erscheint, wenn die Aufmerksamkeit zunimmt

Brain Cell "Chorus" erscheint, wenn die Aufmerksamkeit zunimmt
Brain Cell "Chorus" erscheint, wenn die Aufmerksamkeit zunimmt
Anonim

Das plötzliche Auftauchen eines Gehirnzellen-"Chorus" aus der Kakophonie normaler Gehirnzellenaktivität kann es dem Gehirn ermöglichen, einem Element in einer Flut eingehender sensorischer Informationen besondere Aufmerksamkeit zu schenken, so ein Bericht dieser Woche in Nature.

Der Bericht, der auf von Affen gesammelten Daten basiert, legt nahe, dass ein Baseballspieler einen Fliegenball durch einen wolkenverhangenen Himmel verfolgt, ein Fahrer in eine Tasche greift, um nach Schlüsseln zu suchen, und ein Highschool-Schüler, der nach einem sucht Kantinenessen, das nach Essbarem riecht, könnten alle etwas gemeinsam haben: Einige der Nervenzellen in der Hirnrinde, der ausgeklügelten äußeren Schicht des Gehirns, senden möglicherweise gemeinsam Nachrichten, damit sie auf einen einzigen Strom sensorischer Eingaben achten können.

"Jede Sekunde erh alten wir Millionen oder Hunderte Millionen Bits an Informationen, die von unseren Sinnen eingehen", sagt Ernst Niebur, Assistenzprofessor für Neurowissenschaften am Krieger Mind-Brain Institute der Johns Hopkins University. „Und wir müssen jede Sekunde entscheiden, welcher Teil davon wichtig ist und welcher Teil nicht wichtig ist.“

"Die Nervenzellen, die die wichtigen Informationen repräsentieren, brauchen einen Weg, um sich von der Masse anderer Informationen abzuheben", sagt Peter Steinmetz, Hauptautor der Arbeit und ehemaliger Postdoktorand am Institut. „Synchron zu feuern – wie Sänger in einem Chor – ist eine Möglichkeit, sich von der Masse abzuheben.“

Wissenschaftler haben die neue Erkenntnis gewonnen, indem sie Daten, die über mehrere Jahre gesammelt wurden, erneut analysiert haben. Die Institutswissenschaftler Ken Johnson und Steve Hsiao hatten die Gehirnzellaktivität bei Affen überwacht, die einfache Aufgaben ausführten, bei denen sie ihre Aufmerksamkeit auf visuelle oder taktile Reize richten mussten.Zu den Aufgaben gehörte die Identifizierung, welches der drei weißen Lichtquadrate auf einem Videomonitor zu schwächeln begann, und der Vergleich der Form erhabener Buchstaben oder Zahlen, die gegen einen Finger gedrückt wurden.

Unter Anwendung einer vom Hopkins-Neurowissenschaftler Vernon Mountcastle perfektionierten Technik verwendeten die Forscher sieben Elektroden, um gleichzeitig die Aktivität einzelner Gehirnzellen bei den Affen zu überwachen, während sie arbeiteten. Ursprünglich analysierten sie die gesammelten Daten auf Veränderungen in der Feuerrate der Gehirnzellen, wenn die Tiere die Aufmerksamkeit zwischen den Aufgaben wechselten.

Als Niebur vor ein paar Jahren in Hopkins ankam, begannen die Forscher darüber zu sprechen, sich die Daten noch einmal anzusehen.

Niebur und andere theoretische Neurowissenschaftler spekulierten, dass das Gehirn Informationen sowohl beim Feuern einzelner Gehirnzellen als auch beim Timing dieser Feuerungen kodieren könnte.

"Es wurde bei Tieren gezeigt, dass die Feuerrate von Neuronen um den Faktor 2 oder 3 steigen kann, wenn sie anfangen, auf einen Reiz zu achten", sagt Niebur.„Aber es scheint die Gefahr zu laufen, Signale zu verwechseln, wenn man versucht, zwei verschiedene Dinge – den Stimulus selbst und den Grad, in dem man darauf achten sollte – mit einem Sign altyp zu codieren, der Rate, mit der Neuronen feuern.“

Niebur sagt, dass die beiden unterschiedlichen Signale verbunden werden müssen. Was Ihre Sinne wahrnehmen, beeinflusst, wie viel Aufmerksamkeit Sie ihnen schenken, aber, sagte er, „es scheint eine gute Idee zu sein, wenn Sie zwei verschiedene, aber verwandte Signale haben können, die Sie verwenden können, um diese beiden Dinge darzustellen.“Eine Zunahme der Anzahl von Nervenzellen, die gemeinsam feuern, könnte ein solches unabhängiges, aber verwandtes zweites Signal darstellen.

Hsiao und Johnson hatten Daten aus drei früheren Experimenten, die zum Testen der Theorie geeignet waren. Steinmetz, jetzt Postdoktorand am C altech, kombinierte die derzeit verfügbare Computerleistung mit einer hochmodernen statistischen Technik, um festzustellen, ob Nervenzellen synchron feuerten und ob sich die Stärke dieser Synchronität änderte, wenn die Affen aufpassen mussten.

"Die zuverlässige Erkennung synchroner Zündungen war in der Vergangenheit aufgrund der großen Datenmengen, die analysiert werden müssen, schwierig, aber ein Ergebnis der Computerrevolution war die Fähigkeit, diese Art von Tests in angemessenen Zeitrahmen durchzuführen, “, sagt Steinmetz. Die Ergebnisse der Analyse deuten laut Niebur darauf hin, dass, wenn die Affen den Stimuli besondere Aufmerksamkeit schenkten, „die Menge an synchronem Feuern bei einem beträchtlichen Teil der an diesen Aufgaben beteiligten Neuronen zuzunehmen schien.“

Ein solcher Mechanismus könnte faszinierende Verbindungen zur grundlegenden Struktur und Funktion von Nervenzellen haben, bemerkt Hsiao. Nervenzellen empfangen häufig eingehende Signale nicht nur von einer, sondern von mehreren verschiedenen verzweigten Strukturen, den sogenannten Dendriten. Wenn das Signal nicht sehr stark ist, garantiert der Empfang eines Signals auf einem Dendriten nicht unbedingt, dass die Nervenzelle die Nachricht weiterleitet.

"Wenn jedoch alle Neuronen stromaufwärts synchron feuern, erhöht das die Wahrscheinlichkeit stark, dass die Nervenzelle die Nachricht stromabwärts weiterleitet", sagt Hsiao, außerordentlicher Professor für Neurowissenschaften.

"Wir hatten Glück, dass diese drei Gruppen für diese Teamleistung zusammenkommen konnten", kommentiert Hsiao. "Das Mind-Brain Institute ist einer der wenigen Orte in den USA, wo man eine so einzigartige und enge Zusammenarbeit zwischen experimentellen, theoretischen und computergestützten Neurowissenschaftlern erleben konnte."

Alle 3 Forschungsgruppen planen, die Ergebnisse in Zukunft weiterzuverfolgen.

"Ich würde gerne zu einem früheren Stadium dieses Prozesses zurückkehren und nach irgendeiner Art von oszillierendem Signal suchen, von dem wir glauben, dass es dieses synchronisierte Feuern der Nervenzellen vorantreiben könnte", Johnson, Professor für Neurowissenschaften, sagt.

Niebur und Hsiao wollten herausfinden, was mit den Synchronitätsraten passiert, wenn die Testpersonen die Aufgabe, auf die sie sich konzentrieren, nicht erfolgreich abschließen. Steinmetz' aktuelle Forschung beinh altet eine Untersuchung, wie stark die Neuronen ihr Feuern synchronisieren müssen, um "gehört" zu werden.

Die Finanzierung dieser Studie kam von den National Institutes of He alth, der Alfred P. Sloan Foundation und der National Science Foundation. Andere Autoren waren Arup Roy und Paul Fitzgerald, Doktoranden der Neurowissenschaften bei Krieger Mind-Bra in.

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