Wenn Sie einen MRT-Scan des Gehirns genau im Auge beh alten, sehen Sie, wie alle paar Sekunden eine Welle wie ein Herzschlag durch das gesamte Gehirn geht. Dieser ultralangsame Rhythmus wurde schon vor Jahrzehnten erkannt, aber niemand wusste so recht, was er damit anfangen sollte. MRT-Daten sind von Natur aus verrauscht, daher ignorierten die meisten Forscher die ultralangsamen Wellen einfach.
Aber durch die Untersuchung der elektrischen Aktivität im Gehirn von Mäusen haben Forscher der Washington University School of Medicine in St. Louis herausgefunden, dass die ultralangsamen Wellen alles andere als Rauschen sind. Sie sind eher wie Wellen im Meer, wobei alles, was das Gehirn tut, in Booten auf diesem Meer stattfindet. Bisher konzentrierte sich die Forschung auf das Treiben in den Booten, ohne groß an das Meer selbst zu denken. Aber die neuen Informationen deuten darauf hin, dass die Wellen eine zentrale Rolle dabei spielen, wie sich das komplexe Gehirn koordiniert, und dass die Wellen direkt mit dem Bewusstsein verbunden sind.
"Ihr Gehirn hat ungefähr 100 Milliarden Neuronen, und sie müssen koordiniert werden", sagte Seniorautor Marcus Raichle, MD, der Alan A. und Edith L. Wolff Distinguished Professor of Medicine und Professor of Radiology an Mallinckrodt Institut für Radiologie an der School of Medicine. „Diese langsam variierenden Signale im Gehirn sind ein Weg, um eine sehr groß angelegte Koordination der Aktivitäten in all den verschiedenen Bereichen des Gehirns zu erreichen. Wenn die Welle ansteigt, werden Bereiche erregbarer, wenn sie abfällt, werden sie weniger.“also."
Die Studie erscheint am 29. März in der Zeitschrift Neuron.
In den frühen 2000er Jahren entdeckten Raichle und andere Muster der Gehirnaktivität bei Menschen, die ruhig in MRT-Geräten lagen und ihre Gedanken schweifen ließen. Diese sogenannten Resting-State-Netzwerke stellten die Annahme in Frage, dass sich das Gehirn beruhigt, wenn es nicht aktiv mit einer Aufgabe beschäftigt ist. Jetzt wissen wir, dass Ihr Gehirn, selbst wenn Sie das Gefühl haben, nichts zu tun, immer noch mitbrummt und fast so viel Energie für Tagträumereien verbraucht, wie für das Lösen einer schwierigen mathematischen Aufgabe.
Unter Verwendung von Resting-State-Netzwerken begannen andere Forscher, nach Gehirnbereichen zu suchen – und diese zu finden –, die sich bei gesunden Menschen anders verh alten als bei Menschen mit Gehirnerkrankungen wie Schizophrenie und Alzheimer. Aber auch wenn die MRT-Daten im Ruhezustand neue Einblicke in neuropsychiatrische Erkrankungen lieferten, zeigten sie doch immer wieder Aktivitätswellen, die sich mit einer langsamen Regelmäßigkeit im gesamten Gehirn ausbreiteten, unabhängig von der untersuchten Krankheit. Ähnliche Wellen wurden bei Gehirnscans von Affen und Nagetieren beobachtet.
Einige Forscher dachten, dass diese ultralangsamen Wellen nicht mehr als ein Artefakt der MRT-Technik selbst seien. Die MRT misst die Gehirnaktivität indirekt, indem sie den Fluss von sauerstoffreichem Blut über einen Zeitraum von Sekunden misst, eine sehr lange Zeitskala für ein Organ, das Nachrichten mit einer Zehntel- bis Hundertstelsekunde sendet. Anstatt ein wirklich langsamer Prozess zu sein, so die Argumentation, könnten die Wellen die Summe vieler schneller elektrischer Signale über einen relativ langen Zeitraum sein.
Erstautor Anish Mitra, PhD, und Andrew Kraft, PhD - beide MD/PhD-Studenten an der Washington University - und Kollegen beschlossen, sich dem Geheimnis der ultralangsamen Wellen mit zwei Techniken zu nähern, die die elektrische Aktivität in Mäusen direkt messen Gehirne. In einem maßen sie diese Aktivität auf zellulärer Ebene. In der anderen maßen sie die elektrische Aktivität Schicht für Schicht entlang der äußeren Oberfläche des Gehirns.
Sie fanden heraus, dass die Wellen kein Artefakt waren: Ultralangsame Wellen wurden unabhängig von der Technik gesehen, und sie waren nicht die Summe aller schnelleren elektrischen Aktivitäten im Gehirn.
Stattdessen fanden die Forscher heraus, dass die ultralangsamen Wellen spontan in einer tiefen Schicht des Gehirns von Mäusen begannen und sich in einer vorhersehbaren Flugbahn ausbreiteten. Als die Wellen jeden Bereich des Gehirns passierten, verstärkten sie dort die elektrische Aktivität. Neuronen feuerten enthusiastischer, wenn eine Welle in der Nähe war.
Außerdem blieben die ultralangsamen Wellen bestehen, wenn die Mäuse unter Vollnarkose gesetzt wurden, aber mit umgekehrter Richtung der Wellen.
"Es gibt einen sehr langsamen Prozess, der sich durch das Gehirn bewegt, um temporäre Gelegenheitsfenster für Fernsignale zu schaffen", sagte Mitra. "Die Art und Weise, wie sich diese ultralangsamen Wellen durch den Kortex bewegen, korreliert mit enormen Verh altensänderungen, wie dem Unterschied zwischen bewussten und unbewussten Zuständen."
Die Tatsache, dass sich die Flugbahn der Wellen so dramatisch mit dem Bewusstseinszustand veränderte, legt nahe, dass ultralangsame Wellen grundlegend für die Funktionsweise des Gehirns sein könnten. Wenn man sich Hirnareale als Boote vorstellt, die auf einem langsam welligen Meer herumdümpeln, beeinflussen die Wellen und die Richtung des Meeres sicherlich, wie einfach eine Nachricht von einem Boot zum anderen weitergegeben werden kann und wie schwierig es für zwei Boote ist, ihre zu koordinieren Aktivität.
Die Forscher untersuchen jetzt, ob Anomalien in der Flugbahn solcher ultralangsamer Wellen einige der Unterschiede erklären könnten, die bei MRT-Scans zwischen gesunden Menschen und Menschen mit neuropsychiatrischen Erkrankungen wie Demenz und Depression zu sehen sind.
"Wenn Sie sich das Gehirn von jemandem mit Schizophrenie ansehen, sehen Sie keine große Läsion, aber etwas stimmt nicht mit der Organisation der ganzen schönen Maschinerie des Gehirns", sagte Raichle, der es auch ist Professor für Biomedizintechnik, Neurologie, Neurowissenschaften und Psychologie und Gehirnwissenschaften. „Was wir hier gefunden haben, könnte uns helfen, herauszufinden, was schief läuft. Diese sehr langsamen Wellen sind einzigartig, werden oft übersehen und sind absolut zentral für die Organisation des Gehirns. Das ist die Quintessenz."
