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Integration von Informationen im Gehirn

Eine der wichtigsten Fragen in der neurowissenschaftlichen Forschung ist, wie das Gehirn sensorische und nicht-sensorische Informationen zusammenführt. Ein europäisches Projekt untersuchte daher, über welche neuronalen Mechanismen visuelle Stimuli und Fortbewegung integriert werden.
Integration von Informationen im Gehirn
Der primäre visuelle Kortex ist das älteste visuelle Informationsverarbeitungszentrum in der Hirnrinde. Je nach Art der eingehenden Stimuli werden visuelle Informationen im visuellen Kortex differenziell verarbeitet.

Die vier Millionen Neuronen im Kortex von Mäusen werden nach ihrer Morphologie, Biochemie und ihren physiologischen Eigenschaften klassifiziert. Der Kortex arbeitet sowohl mit exzitatorischen (pyramidalen)) als auch inhibitorischen Neuronen (Interneuronen). Interneuronen werden in drei Hauptklassen eingeteilt, je nachdem, ob sie Sst (Somatostatin), Vip (vasoaktives intestinales Peptid) oder Pvalb (Parvalbumin) exprimieren.

Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts SENSMOD (Microcircuits for behavioral modulation of sensory cortex) waren die charakteristischen funktionellen Eigenschaften von Sst-, Vip- und Pvalb-Interneuronen im primären visuellen Kortex von Mäusen.

Visuelle Reaktionen sind stark kontextabhängig (zum Beispiel von der Fortbewegung). Die meisten Neuronen im visuellen Kortex reagieren am stärksten auf Reize einer begrenzten räumlichen Größe (Größenabstimmung). Nun wurde untersucht, wie die einzelnen Zellklassen (Sst, Vip und Pvalb) die Größenabstimmung durch Fortbewegung (Laufen) modulieren.

Da in früheren Studien nur einzelne Zustände (Stimulusgröße oder Fortbewegung) von wenigen Neuronen gleichzeitig aufgezeichnet werden konnten, bestand der neue Ansatz nun darin, im selben Versuch Hunderte neuronaler Reaktionen auf die kombinierten Stimuli Größe und Fortbewegung aufzuzeichnen.

Die Projektergebnisse deuten darauf hin, dass funktionelle Interaktionen exzitatorischer und inhibitorischer Neuronen stark vom sensorischen und Verhaltenskontext abhängen.
Insbesondere konnten anhand der Daten scheinbare Widersprüche früherer Studien geklärt und ein neues Modell für Signalmodulation entwickelt werden.

Beim SENSMOD-Modell hemmen Vip- und Sst-Neuronen einander durch eine stimulusabhängige Winner-take-all-Verschaltung (die stärkste Reaktion entscheidet über die Klassifizierung), während ein Teilnetz exzitatorischer Neuronen in Interaktion mit Pvalb-Zellen moduliert wird. Die Ergebnisse sind wichtig, da sich die kortikalen Mikroverschaltungen im Gehirn aller Säugetiere in verschiedenen kortikalen Bereichen stark ähneln.

Vorhersagen, die mit diesem Modell gemacht wurden, legen nahe, dass Störungen bei bestimmten Zellklassen die Größenabstimmung verzerren. Die Ergebnisse sind damit vor allem für psychische Störungen wie Schizophrenie relevant, da die Größenabstimmung bei Schizophreniepatienten deutlich reduziert ist.

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Schlüsselwörter

Visuelle Stimulation, Fortbewegung, primärer visueller Kortex, SENSMOD, Verhaltenstests
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