Neuronale Diversität macht einen Unterschied, Forschungsergebnisse

Neuronale Diversität macht einen Unterschied, Forschungsergebnisse
Neuronale Diversität macht einen Unterschied, Forschungsergebnisse
Anonim

Ähnlich wie bei Schneeflocken sind keine zwei Neuronen genau gleich. Aber es ist nicht die Größe oder Form, die ein Neuron von einem anderen unterscheidet, sondern die Art und Weise, wie es auf eingehende Reize reagiert. Forscher der Carnegie Mellon University haben herausgefunden, dass diese Diversität entscheidend für die allgemeine Gehirnfunktion und wesentlich dafür ist, wie Neuronen komplexe Reize verarbeiten und Informationen codieren.

Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse, die ersten, die die Funktion der Neuronendiversität untersuchten, online in Nature Neuroscience.

"Ich denke, Neurowissenschaftler haben auf einer intuitiven Ebene die Variabilität zwischen Neuronen erkannt, aber wir haben sie unter den Teppich gekehrt, weil wir nicht in Betracht gezogen haben, dass Diversität ein Merkmal sein könnte.Wir betrachteten es vielmehr als eine grundlegende Widerspiegelung der Ungenauigkeit der Biologie“, sagte Nathan N. Urban, Professor und Leiter des Department of Biological Sciences der CMU. „Wir wollten diese Vorstellung überdenken. Vielleicht ist diese Vielf alt wichtig - vielleicht hat sie eine Funktion."

Schätzungen besagen, dass allein das menschliche Gehirn über 100 Milliarden Neuronen hat, die in verschiedene Typen unterteilt werden können. Während Mitglieder des gleichen Typs strukturell gleich aussehen und als Gruppe dazu beitragen, die gleiche Gesamtaufgabe zu erfüllen, feuert jedes einzelne Neuron in dieser Gruppe als Reaktion auf subtile Unterschiede im eingehenden Stimulus. Typischerweise mitteln Neurowissenschaftler diese Heterogenität, um ihre Ergebnisse zu erh alten, in der Annahme, dass die Variabilität ein „Fehler der Biologie“ist.

"Wenn wir über Computerchips nachdenken, kann Variabilität in der Hardware eindeutig sehr zerstörerisch sein. Hersteller verbringen viel Zeit und Geld damit, sicherzustellen, dass jeder Prozessor auf einem Chip identisch ist", sagte Urban.„Das Gehirn gilt als einer der fortschrittlichsten Computer überhaupt. Wir waren fasziniert von der Idee, dass das Gehirn die chaotische, komplexe Natur seiner biologischen Hardware nutzen könnte, um effizienter zu funktionieren.“

Urban und Postdoktorand Krishnan Padmanabhan, beide Forscher am Department of Biological Sciences der CMU und am gemeinsamen CMU/University of Pittsburgh Center for the Neural Basis of Cognition, testeten die Reaktionen einzelner Neuronen auf einen komplexen Stimulus. Indem sie eine elektrische Sonde in einzelne erregende Neuronen, sogenannte Mitralzellen, einführten und sie einem komplexen computergesteuerten Rauschreiz aussetzten, konnten die Forscher bestimmen, wie jede Zelle reagierte. Sie fanden heraus, dass von den Dutzenden von Neuronen, die sie testeten, keine zwei genau die gleiche Reaktion zeigten. Während die Forscher glaubten, dass diese Ergebnisse für sich genommen auffallend waren, fragten sie sich, ob die Neuronen eine unordentliche Version einer einzelnen Antwort gaben oder ob sie jeweils unterschiedliche Informationen über den Stimulus lieferten.

Um ihre Hypothese zu testen, verwendeten die CMU-Forscher ein Werkzeug namens Spike-Triggered Averaging, mit dem sie bestimmen konnten, welche Eigenschaft des Stimulus jedes Neuron zur Reaktion veranlasst. Sie fanden heraus, dass einige auf schnelle Änderungen des Stimulus reagierten und andere auf langsamere Änderungen; wieder andere Neuronen reagierten, wenn sich das Eingangssignal regelmäßig oder rhythmisch änderte. Die Forscher berechneten dann die Informationen, die in den Ausgaben sehr unterschiedlicher Gruppen von Neuronen enth alten sind, und verglichen sie mit denen von Gruppen ähnlicherer Neuronen. Sie fanden heraus, dass die heterogenen Neuronengruppen doppelt so viele Informationen über den Stimulus übermittelten wie die homogene Gruppe.

"Vielf alt ist ein intrinsisches Gut", sagte Urban. „Eine Population, in der jedes Mitglied ein wenig anders ist, was es tun kann, ist eine effizientere und effektivere Population. Es ist wie bei einem Baseballteam – wenn Sie gewinnen wollen, sollten Sie nicht neun Pitcher auf das Feld stellen."

Neben seiner Rolle bei der Informationscodierung glauben die Forscher, dass die neuronale Diversität auch bei neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie, Parkinson und Schizophrenie eine Rolle spielen könnte. Unter diesen Bedingungen gibt es eine Störung in der Synchronität und Rhythmik des neuronalen Feuerns. Bei Epilepsie und Parkinson feuern Gruppen von Neuronen gleichzeitig und verursachen Anfälle oder Zittern. Bei Schizophrenie haben einige Neuronen eine verminderte Fähigkeit, das Feuern in bestimmten Situationen zu koordinieren, beispielsweise bei Aufmerksamkeitsaufgaben. Veränderungen in der Diversität neuronaler Populationen können die Leichtigkeit verändern, mit der Neuronen in diese rhythmischen Feuermuster eintreten.

Außerdem wollen die Forscher herausfinden, wie Diversität erreicht wird. Neuronen eines bestimmten Typs werden typischerweise im selben Entwicklungsstadium geboren, wobei viele von ihnen aus derselben Vorläuferzelle stammen. Urban hofft herauszufinden, wie sich Neuronen während der Entwicklung diversifizieren, welche Proteine ​​beteiligt sind und ob irgendeine Art von Training oder Exposition die Diversität erhöht.

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