Hören statt Sehen: Gehirnneuronen neu konfigurieren, um sie an die Dunkelheit anzupassen

Menschen werden wie viele andere Tiere auf dem Planeten hauptsächlich als Tagestiere betrachtet. Fast alle Systeme unseres Körpers sind auf Aktivität während des Tages und auf Ruhe während der Nacht eingestellt. Der wichtigste Regulator, wann wir schlafen und wann wir wach bleiben, ist unser Gehirn. Er ist auch für die Verarbeitung der über die Sinne empfangenen Informationen verantwortlich. Die Richtigkeit dieser Informationen hängt von den Umständen ab, unter denen sie empfangen wurden und wie wir sie interpretieren: In der Dämmerung hängt ein Kleiderbügel, und unser Gehirn sagt uns: „Dies ist ein Monster, das uns jetzt frisst.“ Einige Signale können jedoch unter Umständen die Nachteile anderer Signale ausgleichen.

Heute treffen wir uns mit Ihnen in einer Studie, in der Wissenschaftler der University of Maryland (USA) eine Woche lang Labormäuse in stockdunkle Räume gebracht haben. Wie hat sich das Verhalten von Mäusen während des Experiments verändert, welche Veränderungen in den neuronalen Netzen im Gehirn hatten sie und welche Schlussfolgerungen zogen Wissenschaftler aus ihren Beobachtungen? Der Bericht der Forscher wird diese Fragen beleuchten. Lass uns gehen.

Studienbasis

Wir alle wissen, dass sich unsere Sicht ein wenig anpassen muss, wenn wir von einem hellen in einen dunklen Raum wechseln. Dieser Vorgang wird als recht prosaisch bezeichnet - Anpassung der Augen. Wenn wir in einen schlecht beleuchteten Raum gehen, gewöhnen sich unsere Augen panisch an neue Bedingungen, woraufhin sich dieser Prozess verlangsamt. Wenn Sie Ihre Augen für ein paar Minuten schließen, bevor Sie in die Dunkelheit eintreten, läuft die Anpassung besser und langsamer ab. Es wird vermutet, dass die Piraten aus diesem Grund auf einem Auge eine Augenbinde hatten: Als sie den Laderaum des Schiffes betraten, wo die Beleuchtung nicht die beste war, änderten sie die Augenbinde auf dem anderen Auge und schlossen dadurch zuvor besser wahrgenommene Informationen. Es scheint wahr zu sein, aber es kann ein einfaches Märchen sein.

Neben dem Sehen gibt es jedoch auch andere Gefühle, einschließlich des Hörens. Wir haben oft gehört, dass Blinde angeblich besser hören. Es wird auch angenommen, dass die sensorische Plastizität innerhalb einer Modalität * bei Kindern stärker entwickelt ist, jedoch kann sich auch bei Erwachsenen eine crossmodale Plastizität entwickeln.

Modalität * - Zugehörigkeit eines bestimmten Signals zu einem bestimmten Sensorsystem. Es gibt solche Arten von Modalitäten: visuell, auditiv, schmerzhaft, kinästhetisch usw.

Bei der crossmodalen Plastizität werden Gehirnneuronen so reorganisiert, dass die Funktionen von zwei oder mehr Systemen kombiniert werden. Dieses Phänomen tritt häufig vor dem Hintergrund einer sensorischen Deprivation (Verschlechterung) eines bestimmten Systems aufgrund eines Traumas oder einer Krankheit auf. Die am stärksten ausgeprägte neuronale Reorganisation tritt bei Menschen auf, die von Geburt an blind oder taub waren. Das heißt, je länger der Entzug ist, desto stärker ist die modalübergreifende Plastizität.

Mit anderen Worten, der Verlust der sensorischen Modalität kann durch Plastizität in anderen Gefühlen ausgeglichen werden. Frühere Studien haben gezeigt, dass Blinde von Geburt an Geräuschsignale, den Ort ihrer Quellen (Lokalisierung von Geräuschen) und Frequenzeigenschaften viel besser wahrnehmen. Offensichtlich sind solche Veränderungen bei angeborenen sensorischen Defekten ausgeprägter. Aber auch bei Erwachsenen verschiedener Spezies kann sich aufgrund von Umweltveränderungen eine sensorische und modalübergreifende Plastizität entwickeln.

Beispielsweise erhöhen kurze Perioden der Sehschwäche bei Nagetieren auf zellulärer Ebene die Frequenzselektivität im auditorischen Kortex (A1), während der Schwellenwert gesenkt und die Übertragungsrate von Impulsen durch die Neuronen L4 ( Thalamorecipient-Schicht 4 ) des auditorischen Kortex erhöht wird . Ähnliche Änderungen auf zellularer Ebene sind das Ergebnis von Änderungen in neuronalen Schaltkreisen. Der Effekt der Dunkelheit führt zu einer Zunahme der ankommenden Thalamussignale in L4, steigenden intrakortikalen Verbindungen von L4-Neuronen zu L2 / 3-Neuronen (Thalamorecipient-Schicht 2/3) sowie zur Stärkung der anregenden und hemmenden intralayer-Bindungen innerhalb von L2 / 3, aufsteigenden Verbindungen zwischen den Schichten von L4 zu L2 / 3 und Rückmeldeverbindungen von L2 / 3 zu L4.

Sinnesreize werden jedoch nicht von einzelnen Neuronen, sondern von ihren Gruppen (Populationen) in Informationen umgewandelt. Daher kann eine Änderung der Verbindung zwischen Neuronen in solchen Populationen eine direkte Auswirkung auf die Bildung von Informationen aus eingehenden Signalen haben.

Da die Wahrnehmung von Schallfrequenzen zwischen L4 und L2 / 3 schwankt, beschlossen die Wissenschaftler, zu prüfen, ob die vorübergehenden Auswirkungen der Dunkelheit auf Menschen im reifen Alter die Neuronen und ihre Beziehung zueinander im auditorischen Kortex einer Labormaus umstrukturieren können. Zwei-Photonen-Calcium (Ca ²⁺ ) -Bildgebung wurde verwendet, um den Prozess der Veränderungen im Gehirn zu beobachten. Die schallinduzierte Aktivität der L2 / 3- und L4-Neuronen wurde gemessen und zeigte das Vorhandensein einer erhöhten Frequenzselektivität.


Bild Nr. 1: Zwei-Photonen-Calcium (Ca ²⁺ ) -Bildgebung von Neuronen in A1 in Mäusen.

Die experimentellen Mäuse waren Labormäuse, die zufällig in zwei Gruppen eingeteilt wurden: Kontrolle (lebte unter normaler Beleuchtung, 9 Individuen) und Test (lebte im Dunkeln, 6 Individuen). Der Aufenthalt im Dunkeln (DE - dunkle Belichtung) war relativ kurzlebig - 1 Woche ( 1A ).


Tabelle Nr. 1: Calcium-Imaging ermöglichte es uns, ein Bild der Aktivität von Hunderten von Neuronen in jeder der Schichten des auditorischen Kortex zu erhalten.

Wissenschaftler stellen auch fest, dass frühere Studien gezeigt haben, dass DE keine Änderungen der Eigenschaften der internen Zellpermeabilität ( 1C ) verursacht. Dies ist äußerst wichtig, da während der Bildgebung der GCaMP6-Calciumindikator ( 1 V ) verwendet wurde.

Um die Aktivität einzelner Neuronen in Mäusen aus der Kontroll- und Testgruppe zu charakterisieren, wurde zum Zeitpunkt der Schallbelastung (reiner Ton) 4–64 kHz, 60 dB ( 1D ) ein 300 × 300 μm-Plot in den L2 / 3- und L4-Schichten sichtbar gemacht. Zunächst wurden Zellen identifiziert, die auf diese Reize reagierten. Eine Zelle, die zumindest irgendwie reagiert hat, wird als "ansprechbar" eingestuft. Nach Einwirkung von Dunkelheit änderte sich der Anteil der reagierenden Zellen in L4 nicht, aber in L2 / 3 reagierten weniger Zellen auf den Stimulus ( 1E ), was auf eine Sparsifikation (eine Zunahme der Intervalle zwischen etwas) der kortikalen Reaktionen in den Körnerschichten hinweist.

Die Registrierung einzelner Einheiten * zeigte, dass L4-Zellen in Mäusen aus der Testgruppe eine höhere spontane und dunkelinduzierte Neuronenfrequenz (Neuronenaktivität) aufweisen.

Registrierung einzelner Einheiten * - eine Methode zur Messung der elektrophysiologischen Reaktion eines einzelnen Neurons unter Verwendung einer Mikroelektrode.

Es wurde ferner entschieden, herauszufinden, ob ähnliche Änderungen auf der Ebene einzelner Zellen in der L2 / 3-Schicht vorliegen. Um die spontane Aktivität von Neuronen (SD), die Maus-GCaMP6 exprimieren, zu bewerten, wurden transiente Fluoreszenzprozesse gemessen, die vor dem Einsetzen des Stimulus und während einer längeren Bildgebung ohne jeglichen Stimulus auftraten.

Nach dem Aufenthalt im Dunkeln erhöhte sich die spontane Aktivität von Neuronen sowohl in L4 als auch in L2 / 3 ( 1F ).

Eine Abnahme der Tonempfindlichkeit kann mit einer Änderung der Frequenzabstimmung von Neuronen im auditorischen Kortex verbunden sein. Frühere Aufzeichnungen von Mikroelektroden zeigten, dass L4-Zellen in den Testgruppenmäusen eine erhöhte Frequenzselektivität aufweisen, und da L2 / 3 Eingaben von L4 erhält, können dieselben Änderungen in L2 / 3 vorhanden sein. Anschließend wurden für jede ansprechende Zelle Abstimmungskurven erstellt, die auf der maximalen Reaktion basieren, die durch die Wiedergabe von Tönen verursacht wird ( 2A ).


Bild Nr. 2: Im Dunkeln bleiben erhöht die Empfindlichkeit und Frequenzselektivität von Neuronen in L4 und L2 / 3.

Zunächst wurde die Amplitude der hervorgerufenen Antworten bei der besten Frequenz (BF, d. H. Spitzenfrequenz auf der Kurve) gemessen. Die Antwortamplitude nach Exposition gegenüber Dunkelheit nahm sowohl in L4-Neuronen als auch in L2 / 3-Neuronen zu, war jedoch in L4 größer ( 2B ). Diese Beobachtung stimmt voll und ganz mit den elektrophysiologischen Aufzeichnungen und einer Zunahme der thalamokortikalen Afferenzen * gegenüber L4 überein.

Thalamokortikale Resonanz * - das Phänomen der synchronen Oszillation (periodische gleichzeitige Aktivierung einzelner Populationen von Neuronen) von Neuronen verschiedener Kerne des Thalamus und verwandter Bereiche der Großhirnrinde.

Afferent * ist ein Neuron, das Impulse von Rezeptoren zum Gehirn oder Rückenmark überträgt.

Als nächstes bewerteten wir die Frequenzselektivität von Zellen in Mäusen aus der Test- und Kontrollgruppe. Die Analyse ergab, dass die Bandbreite der Neuronen L4 und L2 / 3 nach Einwirkung von Dunkelheit geringer war als bei Tieren aus der Kontrollgruppe ( 2C ).

Die Gesamtheit dieser Beobachtungen legt nahe, dass auf der Ebene einer einzelnen Zelle die Änderungen nach Dunkelheit sowohl in L4 als auch in L2 / 3 gleich sind, mit der Ausnahme, dass die Antwortamplituden in L4 nach Dunkelheit zunehmen, jedoch nicht in L2 / 3.

Daher kann die Exposition gegenüber Dunkelheit nach einer gewissen Zeit zu Veränderungen der schallinduzierten Reaktionen von Neuronen des auditorischen Kortex sowohl in L4 als auch in L2 / 3 führen. In L4 sind diese Änderungen jedoch immer noch signifikanter als in L2 / 3. Obwohl weniger Zellen auf Geräusche reagierten, nachdem sie der Dunkelheit ausgesetzt waren, reagierten diejenigen, die auf A1 reagierten, empfindlicher und selektiver auf Geräusche. Mit anderen Worten, im Dunkeln handeln Neuronen des auditorischen Kortex nach dem Prinzip „Qualität, nicht Quantität“, da die Anzahl der ansprechenden Zellen abnimmt, ihre Aktivität jedoch zunimmt.


Bild 3: Einwirkung von Dunkelheit verändert die Verteilung der Frequenzselektivität im auditorischen Kortex.

Beobachtungsdaten zeigen, dass tonempfindliche Zellen im auditorischen Kortex von L4 eine höhere Amplitude der Antworten zeigen und dass Zellen in beiden A1-Schichten nach Einwirkung von Dunkelheit eine erhöhte Schallselektivität zeigten. Diese Veränderungen auf der Ebene einzelner Zellen erklären jedoch nicht, warum L2 / 3 nach Einwirkung von Dunkelheit weniger reagierende Neuronen aufweist. Neuronen in sensorischen kortikalen Schichten können ihre Abstimmung basierend auf Verhaltensfaktoren anpassen. Darüber hinaus kann frühes sensorisches Erleben den Bereich des auditorischen Kortex verändern, der auf Geräusche einer bestimmten Frequenz reagiert. Basierend auf diesen Informationen schlugen die Wissenschaftler vor, dass einzelne neuronale Populationen ihre Präferenzen für externe Stimuli änderten.

Um diese Hypothese zu testen, untersuchten die Wissenschaftler die Verteilung der bevorzugten Frequenzen für Populationen von Neuronen in Mäusen aus den Test- und Kontrollgruppen.

Mäuse aus der Kontrollgruppe "bevorzugen" Frequenzen im Bereich von 4 bis 64 kHz, während die meisten Neuronen bevorzugt Klänge im Bereich von 8 bis 32 kHz hören. Die Mäuse aus der Testgruppe reagierten jedoch aktiver auf hohe Frequenzen im Bereich von 32-64 kHz ( 3B ).

In der L2 / 3-Schicht wurde eine Zunahme der Anzahl der Zellen beobachtet, die auf hohe Frequenzen (32–64 kHz) ansprechen, in der L4-Schicht eine Zunahme der Zellen (4–8 kHz). In beiden Schichten wurde eine Abnahme der Wahrnehmung von Mittelfrequenzen im Bereich von 8–16 kHz ( 3A ) beobachtet.

Wie Sie wissen, werden sensorische Reize nicht nur von einzelnen Neuronen, sondern auch von Neuronenpopulationen codiert. Die Korrelation der Aktivität zwischen Neuronen trägt wiederum zum Kodierungsprozess von Informationen bei. Sowohl in L4 als auch in L2 / 3 weisen benachbarte Zellen eine hohe Korrelation von Signalen (SC) auf, die die korrelierte Aktivität widerspiegeln, die durch den Stimulus gesteuert wird. Es gibt auch Paarkorrelationen (NC), die eine stimulusunabhängige Kovarianz zwischen den Experimenten darstellen.

Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass die Verbesserung der funktionellen Zwischenschicht- und intra-laminaren Bindungen nach dem Aussetzen an Dunkelheit zu einer Verringerung der Paarkorrelation führen kann. Aus diesem Grund wird NC es uns ermöglichen, Änderungen im Ausmaß der korrelierten Aktivität zwischen Neuronen in L4 und L2 / 3 nach Einwirkung von Dunkelheit zu untersuchen.


Bild Nr. 4: NC-Abnahme der L4-Schicht durch Dunkelheit.

Der Dunkelheitseffekt führte zu einer Abnahme von NC und SC zwischen den Zellen der L4-Schicht. In der L2 / 3-Schicht blieben die NCs jedoch praktisch unverändert ( 5A ).


Bild Nr. 5: NC-Reduktion in der L2 / 3-Schicht durch Dunkelheit.

Dunkelheit führte zu einer Abnahme der SC zwischen Neuronen in L2 / 3 ( 5B ). Daraus folgt, dass die Dunkelheit nicht nur die Einstellungen der einzelnen Neuronen verändert, sondern auch ihre gegenseitige Verbindung sowohl in der L2 / 3-Schicht als auch in L4.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, in den Bericht der Wissenschaftler zu schauen.

Nachwort

Mäuse, die eine Woche im Dunkeln blieben, zeigten eine völlig andere neuronale Aktivität als Mäuse, die unter normaler Beleuchtung lebten. Die Neuronen des auditorischen Kortex der Mäuse aus der Testgruppe rekonfigurierten sich und die Verbindungen untereinander, um eine genauere Wahrnehmung hoher und niedriger Frequenzen zu erzielen, während die Wahrnehmung der mittleren Frequenzen geopfert wurde. Wissenschaftler selbst können eine solche Selektivität noch nicht genau erklären. Sie schlagen vor, dass dies daran liegen könnte, was genau die Mäuse besser hören wollten: ihre Schritte, Geräusche von anderen Mäusen usw.

Es ist wichtig anzumerken, dass die experimentellen Mäuse gesund waren, d.h. ihr Sehvermögen war von Geburt an völlig normal. Bisher wurde angenommen, dass solche Änderungen der neuronalen Aktivität eher ausschließlich bei Personen auftreten, die von Geburt an (oder in einem frühen Alter) an einer Art sensorischer Dysfunktion leiden. Wie sich herausstellte, kann sich jedoch auch das Gehirn eines Erwachsenen ändern und sich an die Umgebungsbedingungen anpassen.

In Zukunft planen Wissenschaftler, ihre Forschung zu erweitern, indem sie die Geräusche manipulieren, die die Mäuse hören werden. Auf diese Weise können Sie genauer bestimmen, welche Geräusche und inwieweit Mäuse im Dunkeln reagieren.

Diese Studie befriedigt nicht nur die banale Neugier der Wissenschaftler, sondern kann auch für hörgeschädigte Menschen von großem Nutzen sein. Insbesondere kann diese Arbeit den Anpassungsprozess von Hörgeschädigten an Hörgeräte und Cochlea-Implantate vereinfachen.

Die Struktur, die aus Milliarden von Blöcken besteht, die sowohl unabhängig voneinander als auch zusammen wirken können, kann in einer Studie nicht vollständig beschrieben und erklärt werden. Unser Gehirn ist ein solches System. Gleichzeitig werden wir mit jeder neuen Forschung mehr und mehr wertvolle Informationen über unser wichtigstes Organ erhalten, dessen Geheimnis mit den unbekannten Weiten des Universums vergleichbar ist.



Vielen Dank fürs Zuschauen, bleiben Sie neugierig und haben Sie ein tolles Wochenende, Jungs. :)

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