Mechanistische Erkenntnisse zur Kognition bei Säugetieren
Der zerebrale Kortex, die größte und komplexeste Region des Säugetiergehirns, ist auf eine große Fläche grauer Materie verteilt, die aus Nervenzellkörpern besteht, welche in einem komplexen Netzwerk von Schaltkreisen organisiert sind. Die anatomische Organisation kortikaler Bereiche entspricht den sensorischen, motorischen oder assoziativen Funktionen. Die Kommunikation mit anderen Hirnstrukturen wie z. B. dem Thalamus und den Basalganglien gewährleistet den Empfang und die Übertragung von Informationen. Kortikale Nervenzellen funktionieren nicht alleine, sondern als Teil mehrerer miteinander verbundener Einheiten, deren Aktivitäten nur teilweise durch sensorische Reize gesteuert werden. Ein Verständnis der Struktur ihrer Aktivitäten macht die gleichzeitige Aufzeichnung vieler Neuronen erforderlich. Die genaue Beschaffenheit der neuronalen Verbindungen mit dem zerebralen Kortex ist jedoch undurchschaubar geblieben. Derzeit werden mehrere technologische Fortschritte genutzt, um die kortikale Berechnung zu erforschen. Dies schließt Elektrophysiologie, die Verwendung mehrerer Elektroden zur Aufzeichnung von Neuronengruppen sowie Optogenetik ein. Bei letztgenannter Methode wird Licht zur Steuerung von Nervenaktivitäten in einer Versuchsanordnung genutzt, in der Neuronen genetisch so verändert sind, dass sie lichtempfindliche Ionenkanäle exprimieren. Bestehenden optogenetischen Werkzeugen mangelt es allerdings an Schicht- und Zelltypenspezifität, während die Elektrophysiologie-Aufzeichnungstechniken nach wie vor keine Ausbeute erzielen, die für eine angemessene Charakterisierung des kortikalen Mikroschaltkreises ausreichend wäre. Fortschrittliche Werkzeuge helfen beim Verständnis der zerebralen Funktion Das EU-finanzierte Projekt NeuroSeeker wurde auf die Skizzierung eines funktionsorientierteren Bildes der zerebralen Schaltkreise ausgelegt. Forscher untersuchten die Struktur und Funktion des kortikalen Kortex, um die kortikalen Areale und die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten für multiskalige Interaktionen zwischen diesen besser verstehen zu können. Das Konsortium zielte darauf ab, die Interaktion von kortikalen Mikroschaltkreisen mit dem globalen Zustand des Gehirns zu beschreiben, indem aufgezeichnete Daten mit großskaligen Bildern über den Hirnzustand kombiniert wurden, die durch Elektrokortikographie oder Elektroenzephalographie (EEG) erzielt worden waren. Zur Erreichung dieses Ziels entwickelten die Forscher Silizium-basierte Sonden mit einer äußerst hohen Dichte und bislang unerreichten ca. 1400 Aufzeichnungskanälen für die elektrophysiologische Aufzeichnung. Überdies wurden Polymer-basierte Stereo-EEG-Sonden hergestellt, die solchen Sonden ähneln, die klinisch im Bereich der Epilepsie-Diagnostik eingesetzt werden. Die NeuroSeeker-Sonden wurden als ausgefeilte Aufzeichnungsgeräte verwendet, die im Vergleich zum Stand der Technik zehnmal mehr Elektroden aufweisen. Diese Geräte wurden bei nichtmenschlichen Primaten verwendet, um Aufzeichnungsdauern zu demonstrieren, die denen einer Anwendung beim Menschen ähnlich sind. Darüber hinaus wurden optische Geräte hergestellt, die integrierte Dünnschicht-Leuchtdioden (LEDs) sowie konventionelle LED-Chips beinhalten. Diese Geräte erzeugten einen kontrollierten optischen Reiz für kortikales Gewebe in Nagetierversuchen. „Um ein mechanistisches Verständnis von den fundamentalen Berechnungen der zugrundeliegenden kognitiven Verarbeitung zu erlangen, konzentrierten wir uns auf potenzielle Mechanismen, die gängige kognitive Prozesse abbilden“, erklärt Dr. Ruther. Kurz gesagt untersuchten Forscher die Kombination von vorwärtsverketteten und rückwärtsverketteten Inputs, die sich über kortikale Schichten hinweg einfügen oder die in der gleichen Schicht von verschiedenen kortikalen Arealen aus ankommen. Dies ermöglichte die Formulierung einer dynamischen Theorie über Mikroschaltkreise und ihre Interaktionen mit dem übrigen Gehirn. Beschreibung des zerebralen Kortex Durch spezifische Algorithmen und Software ermöglichten die NeuroSeeker-Geräte die Erkennung und Sortierung spitzer Wellen für eine effiziente Schaltkreisanalyse. Im Gegensatz zu bestehenden Systemen konnte das Konsortium erfolgreich die neuronale Funktion aufzeichnen, um ein detaillierteres Bild von der der Funktionsweise des Gehirns zu erhalten und außerdem die Epilepsie-Diagnostik voranzubringen. Die Untersuchung des raumzeitlichen Fingerabdruck von jedem Nervensignal ermöglichte eine Signalklassifizierung sowie die Charakterisierung und Lokalisierung von Zellen in kortikalen Schichten. Hierdurch konnten grundlegende Informationen über die kortikale Funktion in verschiedenen Kontexten gesammelt werden, von der Gedächtnisbildung bis hin zur kontinuierlichen Verarbeitung im Zuge der Entscheidungsfindung. Die Maßnahmen werden weiter fortgeführt, um die Vermarktung der NeuroSeeker-Sonden durch die KMU-Partner sicherzustellen. Die Forscher sind zuversichtlich, dass „die optischen NeuroSeeker-Werkzeuge nicht nur im Bereich der Tierforschung eingesetzt werden können, sondern letztlich klinisch am Herzmuskel und an der Cochlea angewandt werden können.“
Schlüsselbegriffe
NeuroSeeker, Gehirn, zerebraler Kortex, Neuron, Sonde, Optogenetik, Epilepsie, Elektroenzephalografie, Elektrokortikographie, LED
