Die Hirnrinde (Kortex) erlaubt uns Menschen zu denken, unsere Umgebung wahrzunehmen und zielgerichtet zu handeln. Bestimmte Muster der Hirnaktivität ermöglichen dies; sie entstehen früh in der Hirnentwicklung durch dynamische Prozesse der Selbstorganisation. Das zeigen Forschende der University of Minnesota (UoM) und des Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) in einer in Nature Communications veröffentlichten Studie. Sie fanden heraus, dass die Netzwerke der jungen Hirnrinde unstrukturierten Input in hochorganisierte Aktivitätsmuster umwandeln. Die Organisation dieser Muster ist demnach nicht von außen (etwa durch Sinneseindrücke) bestimmt, sondern entsteht durch Interaktion zwischen den Nervenzellen und folgt dynamischen Gesetzen.

Das internationale Forscherteam bestätigt mit seinen Erkenntnissen eine jahrzehntealte theoretische Hypothese der Gehirnentwicklung. "Unsere Ergebnisse legen nahe, dass sich Hirnaktivität in der frühen Hirnrinde selbst organisiert“, erklärt FIAS-Senior-Fellow Matthias Kaschube. Benachbarte Nervenzellen aktivieren sich gegenseitig, während weiter entfernte Gruppen von ihnen unterdrückt werden. Dies führt spontan zur Bildung regelmäßiger Muster der Hirnaktivität, und solche Muster verwendet das Gehirn später in der Entwicklung, um Sinneseindrücke zu verarbeiten.

„Diese Umwandlung von unstrukturiertem Input in hochorganisierte Aktivitätsmuster findet anscheinend vollständig im Kortex selbst statt“, ergänzt Gordon Smith (UoM Medical School). Die Hirnrinde kann offensichtlich ihre eigene Funktion während der Entwicklung organisieren.

In einem selbstorganisierenden System erzeugen bereits einfache Wechselwirkungen eine komplexe Organisation. Beispiele sind Muster wie Wellen auf Sanddünen, Punkte auf manchen Fischen, Spiral-Nebel der Milchstraße oder Vogel-Schwärme. Durch die enge Verknüpfung von Theorie und Experiment konnte das Forscherteam zeigen, dass ähnliche mathematische Regeln, wie sie für die Muster in einer Vielzahl von lebenden und nicht lebenden Systemen gelten, auch die Entwicklung des Gehirns steuern.

Das Forschungsteam nutzte an der UoM entwickelte optische Instrumente, die direkt sichtbar machen, wie die groß angelegte Struktur der sich entwickelnden Hirnaktivität aus den Netzwerken selbst entsteht. Kaschube analysierte diese Daten am FIAS und verglich sie mit den Vorhersagen mathematischer Modelle der Selbstorganisation von Hirnaktivität.

Derzeit untersuchen die Forschenden, wie sich Veränderungen in diesen selbstorganisierten neuronalen Aktivitätsmustern zu Beginn der Entwicklung auf die spätere Sinneswahrnehmung auswirken.

Publikation: Haleigh N. Mulholland, Matthias Kaschube* und Gordon B. Smith* (*zu gleichen Teilen), Self-organization of modular activity in immature cortical networks. Nat Commun 15, 4145 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48341-x

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