25. Oktober 2018
Überraschende Netzwerkaktivität im unreifen Gehirn
Schon vor dem ersten Augenöffnen können lokale Schaltkreise globale Effekte hervorrufen
FRANKFURT. Ein noch immer ungelöstes Rätsel der Großhirnrinde ist, wie einzelne Nervenzellen sich zu räumlich ausgedehnten Netzwerken verbinden. Neue Einsichten hat ein internationales Team von Wissenschaftlern jetzt aus spontan erzeugten Aktivitätsmustern lokaler Netzwerke in der Sehrinde gewonnen. Offenbar bilden diese die Grundlage für langreichweitige Nervenverbindungen, die im Laufe der Entwicklung unter dem Einfluss von Hirnaktivität geknüpft werden. Das berichten die Forscher in der Zeitschrift Nature Neuroscience.
Wie die Wissenschaftler des Max-Planck-Florida-Instituts für Neurowissenschaften, des Frankfurt Institute for Advanced Studies, der Goethe-Universität Frankfurt und der University of Minnesota in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature Neuroscience berichten, untersuchten sie die Sehrinde (den visuellen Cortex) des Frettchens, ein ideales Modellsystem für die frühe Entwicklung von Netzwerken in der Großhirnrinde. Diese bestehen aus Tausenden von Neuronen und sind über mehrere Millimeter der Hirnoberfläche verteilt. In der Sehrinde repräsentiert die Aktivität eines Netzwerks bestimmte Merkmale einer mit den Augen wahrgenommenen Szene, etwa die Orientierung von Kanten oder die Bewegungsrichtung eines Objektes.
Mithilfe von Kalzium-Bildgebungsverfahren konnten die Wissenschaftler spontane, also nicht durch Seheindrücke erzeugte Aktivitätsmuster mit bisher beispielloser Auflösung sichtbar machen. Dabei stellten sie zu ihrer Überraschung fest, dass die spontanen Aktivitätsmuster entfernter Populationen von Neuronen stark korreliert waren: So sehr, dass die Forscher aus der Aktivität kleiner Populationen zuverlässig vorhersagen konnten, wie Neuronen in einigen Millimetern Entfernung auf Sehreize von außen antworten würden.
Im nächsten Schritt nutzten die Forscher die bemerkenswerte Übereinstimmung von spontanen und visuell hervorgerufenen Netzwerkmustern, um herauszufinden, wie sich die Interaktion von Netzwerken im jungen Gehirn entwickelt. Dazu untersuchten sie die spontanen Aktivitätsmuster in einem frühen Stadium vor der ersten Seherfahrung. Sie erwarteten, dass diese sich vor und nach der Augenöffnung stark unterscheiden würden. Bisher war man nämlich davon ausgegangen, dass langreichweitige Verbindungen, die in der unreifen Großhirnrinde noch nicht vorhanden sind, die Grundlage für ausgedehnte Aktivitätsmuster bilden. Tatsächlich beobachteten die Forscher aber bereits vor Augenöffnung robuste langreichweitige Muster korrelierter spontaner Aktivität. Sie erstreckten sich über Entfernungen, die mit denen im reifen Gehirn vergleichbar sind.
Konfrontiert mit dieser paradoxen Beobachtung, überlegten die Forscher, ob die langreichweitigen korrelierten Muster in dieser frühen Entwicklungsphase durch Aktivitätsmuster erzeugt werden, die sich über hintereinander geschaltete, lokale Verbindungen in der Hirnrinde einem Waldbrand gleich ausbreiten. Um diese spannende Möglichkeit zu testen, erstellte Matthias Kaschube, Professor für Informatik an der Goethe-Universität und Fellow am Frankfurt Institute of Advanced Studies (FIAS), zusammen mit seiner Doktorandin Bettina Hein ein Computermodell der Struktur lokaler Verbindungen in der unreifen Sehrinde. In Simulationen fanden sie heraus, dass dieses Modell die Muster der experimentell beobachteten, spontanen langreichweitigen Korrelation präzise reproduzieren kann. Verbindungen über große Entfernungen sind dafür nicht notwendig.
Zusammenfassend legen diese Ergebnisse nahe, dass die räumlich ausgedehnte Ordnung in der jungen Großhirnrinde von Nervenaktivität herrührt, die sich durch lokale Verbindungen ausbreitet. Mit anderen Worten: lokale Verbindungen bauen ein Gerüst für globale Netzwerkaktivität auf. Nach der verbreiteten Regel "what fires together wires together" kann diese Netzwerkaktivität dann bewirken, dass sich langreichweitige Verbindungen ausbilden. In einem Twist des allgemein bekannten Satzes "global denken, lokal handeln" wirken kortikale Schaltkreise lokal, um globale Effekte zu erzielen. Zukünftige Studien sollen diese Vorhersage untersuchen und ergründen, ob tatsächlich aktivitätsabhängige Plastizitätsmechanismen die Struktur langreichweitiger Verbindungen prägen, und zwar auf der Grundlage der Aktivitätsmuster, die aus lokalen Verbindungen in der Hirnrinde stammen.
Weitere Informationen und Kontakt:
Kontakt: Prof. Dr. Matthias Kaschube, Frankfurt Institute for Advanced Studies und Fachbereich Informatik und Mathematik, Goethe-Universität Frankfurt, Campus Riedberg, Tel. 069 798 47521, kaschube_at_fias.uni-frankfurt.de.
Publikation: Gordon B Smith, Bettina Hein, David E Whitney, David Fitzpatrick, Matthias Kaschube: Distributed network interactions and their emergence in developing neocortex (2018), in Nature Neuroscience 21, 1600-1608. http://www.nature.com/articles/s41593-018-0247-5
Filme über Spontanaktivität und ausgedehnte Netzwerke im visuellen Cortex: link weiter unten ("Weitere Informationen") zum Max Planck Florida Institut für Neurowissenschaften
