Mapping the brain: Neue Technik, um die Komplexität des Gehirns zu entwirren

Mapping the brain: Neue Technik, um die Komplexität des Gehirns zu entwirren

Sebastian Seung: I am my connectome (March 2019).

Anonim

(PhysOrg.com) - Wissenschaftler sind der Entwicklung eines Computermodells des Gehirns einen Schritt näher gekommen, nachdem sie erstmals eine Technik entwickelt haben, um die Verbindungen und Funktionen von Nervenzellen im Gehirn miteinander zu verknüpfen.

Ein neues Forschungsgebiet entsteht in der Neurowissenschaft, die als "Connectomics" bekannt ist. Mit Parallelen zur Genomik, die unser genetisches Make-up abbildet, zielt Connectomics darauf ab, die Verbindungen des Gehirns (sogenannte Synapsen) abzubilden. Durch die Kartierung dieser Verbindungen - und damit wie Information durch die Schaltkreise des Gehirns fließt - hoffen die Wissenschaftler zu verstehen, wie Wahrnehmungen, Empfindungen und Gedanken im Gehirn erzeugt werden und wie diese bei Krankheiten wie Alzheimer, Schizophrenie und Schlaganfall schiefgehen.

Die Zuordnung der Verbindungen zum Gehirn ist jedoch keine triviale Aufgabe: Es gibt geschätzte hundert Milliarden Nervenzellen ("Neuronen") im Gehirn, die jeweils mit Tausenden von anderen Nervenzellen verbunden sind - was schätzungsweise 150 Billionen Synapsen ergibt. Dr. Tom Mrsic-Flogel, ein Wellcome Trust Research Career Development Fellow am UCL (University College London), hat ein Forscherteam geleitet, das versucht, diese Komplexität zu verstehen.

"Wie können wir herausfinden, wie die neuronalen Schaltkreise des Gehirns funktionieren?" er fragt. "Wir müssen zuerst die Funktion jedes Neurons verstehen und herausfinden, mit welchen anderen Gehirnzellen es verbunden ist. Wenn wir einen Weg finden, die Verbindungen zwischen Nervenzellen bestimmter Funktionen zu kartieren, werden wir dann in der Lage sein, eine Entwicklung zu beginnen Computermodell zu erklären, wie die komplexe Dynamik neuronaler Netze Gedanken, Empfindungen und Bewegungen erzeugt. "

Nervenzellen in verschiedenen Bereichen des Gehirns erfüllen unterschiedliche Funktionen. Dr. Mrsic-Flogel und Kollegen konzentrieren sich auf den visuellen Kortex, der Informationen aus dem Auge verarbeitet. Zum Beispiel sind einige Neuronen in diesem Teil des Gehirns darauf spezialisiert, die Kanten in Bildern zu erkennen; Einige werden bei Erkennung einer horizontalen Kante aktiviert, andere durch eine vertikale Kante. In der visuellen Hierarchie reagieren einige Neuronen auf komplexere visuelle Merkmale wie Gesichter: Läsionen in diesem Bereich des Gehirns können Personen daran hindern, Gesichter zu erkennen, obwohl sie einzelne Merkmale wie Augen und Nase erkennen können wurde berühmt in dem Buch Der Mann, der Frau für einen Hut Verwechselte von Oliver Sachs beschrieben.

In einer heute online im Journal Nature veröffentlichten Studie beschreibt das Team von UCL eine in Mäusen entwickelte Technik, die es ihnen ermöglicht, Informationen über die Funktion von Neuronen mit Details ihrer synaptischen Verbindungen zu kombinieren.

Die Forscher untersuchten den visuellen Kortex des Gehirns der Maus, das Tausende von Neuronen und Millionen verschiedener Verbindungen enthält. Mittels hochauflösender Bildgebung konnten sie erkennen, welche dieser Neuronen auf einen bestimmten Reiz reagierten, beispielsweise auf eine horizontale Kante.

Mit einer Scheibe desselben Gewebes applizierten die Forscher wiederum kleine Ströme auf eine Untergruppe von Neuronen, um zu sehen, welche anderen Neuronen darauf reagierten - und welche von diesen also synaptisch verbunden waren. Durch wiederholte Wiederholung dieser Technik konnten die Forscher die Funktion und Konnektivität von Hunderten von Nervenzellen im visuellen Kortex verfolgen.

Die Studie hat die Debatte darüber entschärft, ob lokale Verbindungen zwischen Neuronen zufällig sind - mit anderen Worten, ob Nervenzellen sich sporadisch verbinden, unabhängig von der Funktion - oder ob sie geordnet sind, zum Beispiel durch die Eigenschaften des Neurons in Bezug darauf, wie es reagiert zu bestimmten Reizen. Die Forscher zeigten, dass Neuronen, die sehr ähnlich auf visuelle Reize reagierten, wie solche, die auf Kanten mit der gleichen Orientierung reagieren, dazu neigen, viel mehr miteinander verbunden zu sein als solche, die unterschiedliche Orientierungen bevorzugen.

Mit dieser Technik hoffen die Forscher, ein Schaltbild eines Hirnareals mit einer bestimmten Verhaltensfunktion, wie dem visuellen Kortex, zu erstellen. Dieses Wissen ist wichtig für das Verständnis des Repertoires von Berechnungen, die von Neuronen durchgeführt werden, die in diesen hochkomplexen Schaltungen eingebettet sind. Die Technik sollte auch dabei helfen, die funktionale Schaltkreisverdrahtung von Bereichen aufzuzeigen, die Berührung, Hören und Bewegung untermauern.

"Wir fangen an, die Komplexität des Gehirns zu entwirren", sagt Dr. Mrsic-Flogel. "Sobald wir die Funktion und Konnektivität von Nervenzellen verstehen, die verschiedene Schichten des Gehirns umfassen, können wir damit beginnen, eine Computersimulation zu entwickeln, wie dieses bemerkenswerte Organ funktioniert. Aber es wird viele Jahre gemeinsamer Anstrengungen unter Wissenschaftlern und gewaltiger Computerverarbeitungsleistung erfordern es kann realisiert werden. "

Die Forschung wurde vom Wellcome Trust, dem European Research Council, der European Molecular Biology Organization, dem Medical Research Council, dem Overseas Research Students Award Scheme und UCL unterstützt.

"Das Gehirn ist ein immens komplexes Organ und das Verständnis seiner inneren Abläufe ist eines der obersten Ziele der Wissenschaft", sagt Dr. John Williams, Leiter der Abteilung Neurowissenschaften und Mental Health beim Wellcome Trust. "Diese wichtige Studie stellt Neurowissenschaftlern eines der Schlüsselwerkzeuge vor, die ihnen helfen werden, die Gehirnlandschaft zu navigieren und zu untersuchen."