Kettenreaktionen im Gehirn identifiziert

Kettenreaktionen im Gehirn identifiziert
Kettenreaktionen im Gehirn identifiziert
Anonim

Wie jeder weiß, der jemals eine Gitarre oder einen Tennisschläger in die Hand genommen hat, ist präzises Timing oft ein wesentlicher Bestandteil komplexer Aufgaben. Durch die Untersuchung der Gehirnsch altkreise, die den Vogelgesang steuern, haben MIT-Forscher nun eine „Kettenreaktion“der Gehirnaktivität identifiziert, die das Timing des Gesangs zu steuern scheint.

Der Gesang des Zebrafinken ist sehr stereotyp; Jedes Lied dauert ungefähr 1 Sekunde und besteht aus mehreren Silben, deren Timing von einer Aufführung zur nächsten fast genau gleich ist. „Es ist ein großartiges Modellsystem, um zu untersuchen, wie das Gehirn Handlungen steuert“, sagt Michale Fee, Seniorautor der Studie und Mitglied des McGovern Institute for Brain Research.

Die Gehirnstrukturen, die an der Produktion von Vogelgesang beteiligt sind, wurden identifiziert, und Fee und Kollegen hatten zuvor gezeigt, dass das Tempo des Gesangs von einem als HVC bekannten Gehirnbereich gesteuert wird. Während des 1-Sekunden-Songs feuern einzelne Neuronen im HVC nur einen kurzen Aktivitätsschub zu einem genauen Zeitpunkt innerhalb des Songs. Verschiedene Neuronen feuern zu unterschiedlichen Zeiten, sodass die Aktivität dieser Neuronen einen „Zeitstempel“darstellt, der bewirkt, dass zu jedem Zeitpunkt innerhalb des Liedes die richtigen Anweisungen an die Stimmorgane gesendet werden.

Aber woher weiß jedes HVC-Neuron, wann es mit solch perfektem Timing feuern soll? Es wurden mehrere verschiedene Ideen vorgeschlagen, aber eine besonders ansprechende Idee ist das „Synfire Chain“-Modell, bei dem Neuronen in einer Kettenreaktion feuern – jedes löst das nächste in der Sequenz aus, wie eine Kaskade fallender Dominosteine.

In einer neuen Studie, die in der Online-Ausgabe von Nature vom 24. Oktober erscheint, haben Fee und Kollegen diese Idee nun mit intrazellulären Aufzeichnungen getestet, einem Ansatz, der winzige Spannungsschwankungen in einzelnen HVC-Neuronen aufzeichnen kann.In einem technischen Kraftakt entwickelten sie eine Methode, mit der diese Aufnahmen gemacht werden konnten, während sich der Vogel frei in seinem Käfig bewegte und natürliche Verh altensweisen wie Singen an den Tag legte.

Ihre Ergebnisse unterstützen das Modell der Dominokette. Wenn einzelne HVC-Neuronen feuern, tun sie dies plötzlich, als ob sie von dem vorhergehenden Dominostein getroffen worden wären. Es gab keinen vorherigen Aktivitätsaufbau; Stattdessen blieb jedes Neuron stumm, bis es an der Reihe war, zu feuern, und zeigte dann einen plötzlichen Aktivitätsausbruch, der vermutlich durch einen anregenden Input des vorherigen Neurons in der Kette verursacht wurde. In weiteren Experimenten zeigten die Autoren, dass dieser Aktivitätsschub plötzlich durch einen Alles-oder-Nichts-Einstrom von Kalzium durch spezialisierte Membrankanäle ausgelöst wird, die sich als Reaktion auf diesen erregenden Input öffnen.

Die MIT-Forscher zeigten auch, dass das Timing von neuralen Bursts in HVC-Neuronen nicht leicht durch kleine elektrische Störungen gestört wird. Das ist wichtig, erklärt Erstautor Michael Long, der jetzt am Langone Medical Center der New York University arbeitet."Wenn ein Neuron beim Timing einen Fehler gemacht hätte, wäre jedes nachfolgende Neuron in der Kette ebenfalls ausgesch altet. Es wäre wie ein Musiker ohne Rhythmusgefühl."

"Dies ist das erste Mal, dass wir die Entstehung einer erlernten Verh altenssequenz verstehen konnten", sagt Fee. "Wir sagen voraus, dass ähnliche Mechanismen wahrscheinlich in anderen Gehirnen existieren, einschließlich unseres eigenen."

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