Gleichzeitiges Ausspionieren von Tausenden von Neuronen im Sehzentrum des Gehirns

Zusammenfassung: Ein neuartiges, speziell angefertigtes Mikroskop ermöglichte es den Forschern, die Aktivität eines einzelnen Neurons über den gesamten visuellen Kortex zu verfolgen.

Quelle: HMI

Unter Verwendung eines speziell angefertigten Mikroskops, um in das Gehirn der Maus zu blicken, haben Wissenschaftler die Aktivität einzelner Neuronen im gesamten visuellen Kortex verfolgt.

Diese Aufnahmen, die in den Zehntelsekunden, nachdem die Tiere einen Hinweis auf einem Bildschirm gesehen haben, gemacht wurden, enthüllen die komplexe Dynamik, die damit verbunden ist, dem, was die Augen sehen, einen Sinn zu geben.

In einer beispiellosen Kombination aus Breite und Detail beschreiben die Ergebnisse das Verhalten von insgesamt mehr als 21.000 Neuronen in sechs Mäusen über fünf Tage, berichtet Mark Schnitzer, Forscher des Howard Hughes Medical Institute, in der Zeitschrift Natur am 18. Mai 2022.

Sein Team ist das erste, das einen Einblick in die Aktivität einzelner Zellen erhält, die gleichzeitig in acht Teilen des Gehirns stattfinden, die am Sehen beteiligt sind.

„Menschen haben diese Hirnareale schon früher untersucht, aber frühere Bildgebungsstudien hatten keine zelluläre Auflösung über den gesamten visuellen Kortex“, sagt Schnitzer, Neurowissenschaftler an der Stanford University.

Die Arbeit hebt die dramatische Abfolge von Ereignissen hervor, die sich im Gehirn von dem Moment an abspielen, in dem es Nachrichten von den Augen empfängt, bis es entscheidet, wie es auf diesen Anblick reagieren soll. Der weitreichende, aber feinkörnige Bildgebungsansatz der Forscher ermöglichte es ihnen, einen „unglaublichen“ Datensatz zu sammeln, sagt Tatiana Engel, eine computergestützte Neurowissenschaftlerin am Cold Spring Harbor Laboratory, die nicht an der Studie beteiligt war.

Während frühere Studien bereits Aspekte dieses Prozesses untersucht haben, wie z. B. Variationen in der Aktivität einzelner Neuronen und die Koordination zwischen größeren Gehirnbereichen, bietet diese Forschung eine umfassende neue Sichtweise, sagt sie. „Das Ausmaß, in dem sie diese Themen ansprechen können, ist sehr beeindruckend.“

Wenn die Augen ein Bild sehen, senden sie elektrische Signale, die im visuellen Kortex landen, der faltigen äußeren Schicht des Gehirns nahe dem Hinterkopf. Dort lösen die Signale eine Aktivitätsflut aus, während Neuronen zusammenarbeiten, um ein Bild zu registrieren, es auszuwerten und zu entscheiden, wie sie darauf reagieren.

Kredit: HMI

Um die Aktivität im gesamten visuellen Kortex zu erfassen, bauten Schnitzer und seine Kollegen ein kundenspezifisches Mikroskop mit einem weiten Sichtfeld. Ihr System könnte auch Details mit einer Auflösung von wenigen Tausendstel Millimetern erfassen, klein genug, um einzelne Neuronen zu erkennen. Durch die Verwendung gentechnisch veränderter Mäuse mit Neuronen, die beim Senden von Signalen fluoreszieren, konnte das Team die Aktivität dieser Zellen beobachten.

Während der Experimente des Teams mussten die Mäuse basierend auf einem von zwei visuellen Hinweisen eine Wahl treffen. Einer forderte die Tiere auf, eine Tülle für etwas Zuckerwasser zu lecken, der andere Hinweis bedeutete „nicht lecken“. Die Mäuse führten viele dieser Tests über fünf Tage durch.

Mit Aufnahmen aus dem Gehirn der Mäuse stellte das Team eine einfache Frage: Was passiert im Gehirn, wenn wir etwas sehen? Ihre Ergebnisse legen diesen unsichtbaren Vorgang mit einer zeitlichen Auflösung von Sekundenbruchteilen dar und decken überraschende Nuancen auf.

Dies zeigt ein Neuron
Die Arbeit hebt die dramatische Abfolge von Ereignissen hervor, die sich im Gehirn von dem Moment an entfalten, in dem es Nachrichten von den Augen empfängt, bis es entscheidet, wie es auf diesen Anblick reagieren soll. Das Bild ist gemeinfrei

Wissenschaftler wussten beispielsweise bereits, dass sich einzelne Neuronen unterschiedlich verhalten, wenn sie auf visuelle Signale reagieren, die von den Augen übermittelt werden. Aber die Experimente von Schnitzers Team zeigten ein Muster für dieses unzuverlässige Verhalten. Dieses Muster könnte es den Gehirnbereichen, die die Signale der Neuronen empfangen, erleichtern, sie zu verstehen und die visuelle Szene genau zu interpretieren.

Die Forscher dokumentierten auch, wie die Tiere etwa 200 Millisekunden nach Erscheinen des visuellen Hinweises die mentalen Gänge wechselten: Botschaften aus den Augen lösten eine massive Neuordnung der Aktivität verschiedener Gehirnbereiche aus. Etwa 500 Millisekunden später ließ dieser Anstieg nach und die Aktivität wurde stabiler und erkennbarer.

Als nächstes, etwa 600 Millisekunden später, tauchte ein weiteres Signal auf, das alle acht Gehirnareale aktivierte. Dieses Signal verschlüsselte die Entscheidung des Tieres, still zu bleiben oder zum Zuckerwasser zu gehen. Die Forscher lernten, das Signal zu lesen, damit sie vorhersagen konnten, welche Reaktion die Maus machen würde.

„Es ist faszinierend, wie viel das Gehirn in den unmittelbaren Momenten tut, nachdem die Augen den Reiz gesehen haben“, sagt Schnitzer.

Über diese Neuigkeiten aus der visuellen neurowissenschaftlichen Forschung

Autor: Pressebüro
Quelle: HMI
Kontakt: Pressestelle – HHMI
Bild: Das Bild ist gemeinfrei

Originalforschung: Geschlossener Zugang.
Emergente Zuverlässigkeit in der sensorischen kortikalen Kodierung und Kommunikation zwischen Bereichen“ von Mark Schnitzer et al. Natur


Abstrakt

Siehe auch

Dies zeigt die mit Pfeilen markierten Synapsen auf einem Neuron

Emergente Zuverlässigkeit in der sensorischen kortikalen Kodierung und Kommunikation zwischen Bereichen

Zuverlässige sensorische Unterscheidung muss aus neuronalen Repräsentationen mit hoher Wiedergabetreue und Kommunikation zwischen Gehirnbereichen entstehen. Wie die neokortikale sensorische Verarbeitung die erhebliche Variabilität neuronaler sensorischer Reaktionen überwindet, bleibt jedoch unbestimmt.

Hier haben wir die neuronale Aktivität in acht neokortikalen Bereichen gleichzeitig und über fünf Tage bei Mäusen abgebildet, die eine visuelle Unterscheidungsaufgabe durchführten, was zu Längsaufzeichnungen von mehr als 21.000 Neuronen führte.

Analysen zeigten eine Abfolge von Ereignissen im gesamten Neocortex, beginnend mit einem Ruhezustand über frühe Wahrnehmungsstadien bis hin zur Bildung einer Aufgabenantwort. Im Ruhezustand wies der Neokortex ein Muster funktioneller Verbindungen auf, das durch eine Reihe von Bereichen identifiziert wurde, die Aktivitätskofluktuationen teilten.

Innerhalb von etwa 200 ms nach dem Einsetzen des sensorischen Reizes ordneten sich solche Verbindungen neu, wobei verschiedene Bereiche Kofluktuationen und aufgabenbezogene Informationen teilten.

Während dieses kurzlebigen Zustands (etwa 300 ms Dauer) erreichten sowohl die sensorische Datenübertragung zwischen Bereichen als auch die Redundanz der sensorischen Codierung ihren Höhepunkt, was eine vorübergehende Zunahme korrelierter Fluktuationen zwischen aufgabenbezogenen Neuronen widerspiegelt.

Etwa 0,5 s nach Beginn des Stimulus erreichte die visuelle Darstellung eine stabilere Form, deren Struktur robust gegenüber den markanten täglichen Schwankungen in den Reaktionen einzelner Zellen war. Ungefähr 1 s nach der Stimuluspräsentation übermittelte ein globaler Fluktuationsmodus die bevorstehende Reaktion der Maus auf jeden untersuchten Bereich und war orthogonal zu Modi, die sensorische Daten tragen.

Insgesamt unterstützt der Neokortex die sensorische Leistung durch kurze Erhöhungen der sensorischen Codierungsredundanz nahe dem Beginn der Wahrnehmung, neurale Populationscodes, die robust gegenüber zellulärer Variabilität sind, und weit verbreitete Fluktuationsmodi zwischen Bereichen, die sensorische Daten und Aufgabenantworten in nicht störenden Kanälen übertragen.

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