Wenn wir in einem tiefen Schlaf sind, geht die Aktivität unseres Gehirns in großen, offensichtlichen Wellen zurück und fließt wie eine Flut von menschlichen Körpern, die sich erheben und sich um ein Sportstadion setzen. Es ist schwer zu übersehen.

Neue Forschung mit Affen findet, dass dieselben Zyklen im Kielwasser wie im Schlaf existieren, aber mit nur kleinen Abschnitten, die zusammen anstatt das gesamte Stadion sitzen und stehen. Es ist, als würden winzige Teile des Gehirns selbständig einschlafen und die ganze Zeit wieder wach werden.

Wenn die Neuronen in den aktiveren oder "an" Zustand übergegangen sind, scheinen sie besser auf die Welt zu reagieren. Die Neuronen verbringen auch mehr Zeit im An-Zustand, wenn sie auf eine Aufgabe achten. Dieses Ergebnis legt nahe, dass Prozesse, die die Gehirnaktivität im Schlaf regulieren, auch eine Rolle bei der Aufmerksamkeit spielen könnten.

"Selektive Aufmerksamkeit ist ähnlich wie kleine Teile des Gehirns ein wenig mehr wach zu machen", sagt Tatiana Engel, Postdoktorand an der Stanford University und Co-Leiter der Forschung, die in erscheint Wissenschaft. Der ehemalige Doktorand Nicholas Steinmetz war der andere Co-Autor, der die Neurophysiologie-Experimente im Labor von Tirin Moore, einem Professor für Neurobiologie und einer der führenden Autoren, durchführte.

Pins und Neuronen

Um diese neu entdeckten Zyklen zu verstehen, muss man ein wenig darüber wissen, wie das Gehirn organisiert ist. Wenn Sie eine Stecknadel direkt in das Gehirn stecken würden, würden alle Gehirnzellen, die Sie treffen würden, auf dieselben Arten von Dingen reagieren. In einer Spalte könnten sie alle auf Objekte in einem bestimmten Teil des visuellen Feldes reagieren - zum Beispiel oben rechts.

Das Team verwendete, was auf Sets von sehr empfindlichen Stiften hinausläuft, die Aktivität von einer Spalte von Neuronen im Gehirn aufzeichnen können. In der Vergangenheit hatten die Menschen gewusst, dass einzelne Neuronen durch Phasen mehr oder weniger aktiv durchlaufen, aber mit dieser Sonde sahen sie zum ersten Mal, dass alle Neuronen in einer bestimmten Spalte zwischen dem Feuern sehr schnell und dann viel langsamer feuern Rate, ähnlich wie koordinierte Zyklen im Schlaf.

"Während eines Einschaltzustandes beginnen die Neuronen alle schnell zu feuern", sagt Kwabena Boahen, Professorin für Bioingenieurwesen und Elektrotechnik und leitende Autorin des Artikels. "Dann schalten sie plötzlich auf eine niedrige Feuerrate um. Dieses Ein- und Ausschalten geschieht ständig, als würden die Neuronen eine Münze werfen, um zu entscheiden, ob sie ein- oder ausgeschaltet werden. "

Jene Zyklen, die in der Größenordnung von Sekunden oder Bruchteilen von Sekunden auftreten, waren im Wachzustand nicht so sichtbar, da sich die Welle nicht viel weiter ausbreitet als im Schlaf, wenn sich die Welle fast über das gesamte Gehirn ausbreitet und leicht zu erreichen ist erkennen.

Passt auf

Das Team fand heraus, dass die Zustände höherer und niedriger Aktivität sich auf die Fähigkeit beziehen, auf die Welt zu reagieren. Die Gruppe hatte ihre Sonde in einer Region des Gehirns in Affen, die spezifisch einen Teil der visuellen Welt erkennt. Die Affen waren darauf trainiert worden, auf einen Hinweis zu achten, der darauf hinwies, dass sich etwas in einem bestimmten Teil des Gesichtsfeldes - etwa oben rechts oder links unten - im Begriff war, sich leicht zu ändern. Die Affen bekamen dann eine Belohnung, wenn sie richtig erkannten, dass sie diese Veränderung gesehen hatten.

Wenn das Team einen Hinweis darauf gab, wo eine Veränderung stattfinden könnte, verbrachten die Neuronen innerhalb der Säule, die diesen Teil der Welt wahrnimmt, mehr Zeit im aktiven Zustand. Im Grunde gingen sie alle gemeinsam zwischen den Staaten hin und her, aber wenn sie aufpassten, verbrachten sie mehr Zeit im aktiven Staat. Wenn die Stimulusänderung kam, wenn die Zellen in einem aktiveren Zustand waren, war der Affe auch wahrscheinlicher, die Änderung richtig zu identifizieren.

"Der Affe ist sehr gut darin, Reizänderungen zu erkennen, wenn die Neuronen in dieser Säule im eingeschalteten Zustand sind, aber nicht im ausgeschalteten Zustand", sagt Engel. Selbst wenn der Affe wusste, dass er auf einen bestimmten Bereich achtete, verpasste der Affe häufig die Reizveränderung, wenn die Neuronen in einen niedrigeren Aktivitätszustand übergingen.

Engel sagte, dass diese Erkenntnis etwas ist, das vielen Menschen vertraut sein könnte. Manchmal denkst du, dass du aufpasst, wies sie darauf hin, aber du wirst immer noch Dinge vermissen.

Die Wissenschaftler sagten, die Ergebnisse beziehen sich auch auf frühere Arbeiten, die herausgefunden haben, dass mehr wache Tiere und Menschen dazu neigen, Pupillen zu haben, die dilatierter sind. In der aktuellen Arbeit, als die Gehirnzellen mehr Zeit in einem aktiven Zustand verbrachten, waren die Pupillen des Affen auch dilatierter. Die Ergebnisse zeigen eine Interaktion zwischen synchronen Oszillationen im Gehirn, Aufmerksamkeit auf eine Aufgabe und äußeren Zeichen der Wachsamkeit.

"Es scheint, dass die Mechanismen, auf denen Aufmerksamkeit und Erregung beruhen, ziemlich voneinander abhängig sind", sagt Moore.

Spart das Energie?

Eine Frage, die sich aus dieser Arbeit ergibt, ist, warum die Neuronen in einen niedrigeren Aktivitätszustand wechseln, wenn wir wach sind. Warum bleiben Sie nicht ständig im aktiven Zustand, wenn der Säbelzahntiger angreift?

Eine Antwort könnte sich auf Energie beziehen. "Es gibt einen metabolischen Kosten verbunden mit Neuronen feuern die ganze Zeit", sagt Boahen. Das Gehirn verbraucht viel Energie und den Zellen die Möglichkeit zu geben, das energetische Äquivalent des Sitzens zu tun, ermöglicht dem Gehirn, Energie zu sparen.

Auch wenn Neuronen sehr aktiv sind, erzeugen sie zelluläre Nebenprodukte, die die Zellen schädigen können. Engel wies darauf hin, dass die Zustände mit niedriger Aktivität Zeit erlauben könnten, diesen neuronalen Abfall zu beseitigen.

"Dieses Papier schlägt Orte vor, an denen nach diesen Antworten gesucht wird", sagt Engel.

Über die Autoren

Weitere Koautoren sind Kollegen von der Newcastle University. Die Finanzierung kam von der NIH, Stanford NeuroVentures, der HHMI, der MRC und dem Wellcome Trust.

Quelle: Stanford University

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