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Bisher unsichtbare Verarbeitungsmuster im Rattengehirn entdeckt

12.06.2017

Ein internationales Forscherteam unter Leitung der ETH Lausanne hat anhand einer Simulation eines Rattengehirns die Zusammenarbeit von Nervenzellen mathematisch beschrieben. Dadurch entdeckten sie charakteristische Aktivitätsmuster in Reaktion auf äußere Reize, die zuvor nie beobachtet wurden.

Forscher haben im Rahmen des "Blue Brain"-Projekts unter Leitung der ETH Lausanne (EPFL) das Gehirn mit Mathematik unter die Lupe genommen, um die räumliche Anordnung der Reizverarbeitung besser zu verstehen. Sie sind mit Werkzeugen der algebraischen Topologie der Frage nachgegangen, wie die Zusammenarbeit von Nervenzellgruppen im Rattengehirn geometrisch organisiert ist, wie die Hochschule mitteilte.

Dank dieser Herangehensweise sind sie auf bisher unsichtbare Verarbeitungsmuster gestoßen, mit denen Nervenzellen-Familien auf äußere Reize reagieren. Davon berichteten die Wissenschafter im Fachblatt "Frontiers in Computational Neuroscience".

Aufwendige Simulation mit 31.000 Nervenzellen

Die Forschenden um Kathryn Hess von der EPFL griffen auf eine aufwendige Simulation eines Ausschnitts des Rattenhirns zurück. Diese umfasst 31.000 Nervenzellen mit insgesamt acht Millionen Verbindungen - alles auf Basis physiologischer Daten. Auf dieser Grundlage und mit virtuellen Experimenten gelang es den Wissenschaftern, die große Vielfalt an geometrischen Anordnungen zusammenarbeitender Neuronen mathematisch zu beschreiben.

Ihr Fokus lag dabei auf Gruppen paarweise verbundener Nervenzellen, die Informationen austauschen. Die Wissenschafter stellten fest, dass diese sogenannten Cliquen meistens aus drei oder vier Nervenzellen bestehen, was mit experimentellen Beobachtungen am Rattengehirn übereinstimmt. Sie stellten jedoch auch fest, dass größere Cliquen von bis zu acht Neuronen möglich sind.

Die Anzahl Mitglieder einer Clique bestimmt den Forschern zufolge die geometrische Form, wobei man die Nervenzellen als Punkte, ihre Verbindungen als Linien mit einer Richtung zur Informationsweiterleitung betrachtet werden können. Zwei paarweise verbundene Neuronen liegen auf einer Linie, drei ein flaches Dreieck, vier eine Pyramide mit dreieckiger Basis, fünf und mehr Nervenzellen bilden Polyeder.

Durch Beobachtung eines Rattengehirns allein wäre diese Zerlegung in geometrische Formen schwierig gewesen, schrieb die EPFL. Denn die Mitglieder einer Clique können zu verschiedenen Schichten des Rattengehirns gehören und jedes Neuron Teil mehrerer Cliquen sein.

Dank dieser mathematischen Zerlegung kamen die Forschenden denn auch auf die bisher unbekannten Aktivitätsmuster: Durch Experimente am simulierten Rattengehirn konnten sie die Verarbeitung eines äußeren Reizes beobachten, dem Anschnippen eines virtuellen Schnurrhaars. Die daraufhin aktivierten Nervenzell-Cliquen kamen daraufhin in übergeordneten Mustern zusammen, die sich im Zeitverlauf änderten.

Studie hat "völlig neue Tür aufgestoßen"

Mit schrittweiser Verarbeitung des Reizes wurden diese übergeordneten Aktivitätsmuster zunehmend komplexer und lösten sich schließlich abrupt auf. Das Gehirn vernetze sich quasi laufend neu, während ein Reiz verarbeitet wird, bis eine Entscheidung getroffen ist.

"Unsere früheren mathematischen Herangehensweisen hatten Mühe, der Aktivität von Neuronen einen Sinn zuzuschreiben", sagte "Blue Brain"-Projektleiter Henry Markram laut der Mitteilung. Dank der Zerlegung in höherdimensionale Geometrien mache diese Aktivität plötzlich Sinn. Die Studie habe eine völlig neue Tür aufgestoßen, um das Gehirn zu verstehen.

Service: Video der EPFL auf Youtube: https://youtu.be/ZQTqvv6HHHY Fachartikelnummer - DOI: 10.3389/fncom.2017.00048

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