Die Virtual-Reality-Studie an Mäusen gibt neue Hinweise auf das Gedächtnis

Eine neue Forschungsmethode, die virtuelle Realität und Bildgebung des Gehirns umfasst, wird verwendet, um zu lernen, wie das Gehirn Kurzzeitgedächtnisse bildet, die bei der Entscheidungsfindung verwendet werden.

Forscher der Princeton University untersuchten Ratten, als sie ein virtuelles Labyrinth verhandelten. Indem sie die Gehirnaktivität von Mäusen verfolgten, entdeckten sie sequentielle Muster der Neuronenaktivität, wenn das Gehirn ein Gedächtnis hält.

Frühere Forschungen konzentrierten sich auf die Idee, dass Populationen von Neuronen während der Gedächtnisperiode zusammen mit ähnlichen Mustern feuern.

Die Ergebnisse beleuchten, was im Gehirn während des „Arbeitsgedächtnisses“ passiert, wenn der Geist Informationen für kurze Zeit speichert, bevor er darauf einwirkt oder sie in andere Informationen integriert.

Das Arbeitsgedächtnis ist ein zentraler Bestandteil des Denkens, Verstehens und Lernens. Es wird angenommen, dass bestimmte Hirnstörungen wie Schizophrenie Defizite im Arbeitsgedächtnis mit sich bringen.

„Studien wie diese zielen darauf ab, die Grundprinzipien der neuronalen Aktivität während des Arbeitsgedächtnisses im normalen Gehirn zu verstehen. Die Arbeit könnte den Forschern jedoch in Zukunft helfen, zu verstehen, wie sich die Aktivität bei Hirnstörungen verändern kann, die Defizite im Arbeitsgedächtnis mit sich bringen “, sagte der Forscher David Tank, Ph.D.

In der Studie entsprachen die Muster des sequentiellen neuronalen Feuers der Frage, ob sich die Maus beim Navigieren durch ein Labyrinth auf der Suche nach einer Belohnung nach links oder rechts drehen würde. Unterschiedliche Muster entsprachen unterschiedlichen Entscheidungen der Mäuse, stellten die Princeton-Forscher fest.

Die sequentiellen neuronalen Feuermuster erstreckten sich über den Zeitraum von ungefähr 10 Sekunden, den die Maus brauchte, um ein Gedächtnis zu bilden, es zu speichern und eine Entscheidung darüber zu treffen, in welche Richtung sie sich drehen sollte. Während dieses Zeitraums wurde beobachtet, dass verschiedene Untergruppen von Neuronen nacheinander feuerten.

Forscher sagen, dass die Ergebnisse im Gegensatz zu vielen existierenden Modellen stehen, wie das Gehirn Erinnerungen speichert und Entscheidungen trifft.

Die Einzigartigkeit der Sequenzen für Links- und Rechtsdrehung bedeutete, dass die Experimente zur Bildgebung des Gehirns den Forschern im Wesentlichen ermöglichten, eine einfache Form des „Gedankenlesens“ durchzuführen. Durch Bildgebung und Untersuchung der Gehirnaktivität zu Beginn des Laufs der Maus im Labyrinth konnten die Forscher die erzeugte neuronale Aktivitätssequenz identifizieren und zuverlässig vorhersagen, in welche Richtung sich die Maus einige Sekunden vor Beginn der Drehung drehen würde.

Die in der neuen Studie entdeckten Sequenzen neuronaler Aktivität finden in einem Teil des Gehirns statt, der als posteriorer parietaler Kortex bezeichnet wird. Frühere Studien an Affen und Menschen zeigten, dass der hintere parietale Kortex ein Teil des Gehirns ist, der für die Bewegungsplanung, räumliche Aufmerksamkeit und Entscheidungsfindung wichtig ist.

Die neue Studie ist die erste, die sie in der Maus analysiert. "Wir hoffen, dass wir durch die Verwendung der Maus als Modellsystem leistungsfähige genetische Ansätze nutzen können, um die Mechanismen komplexer kognitiver Prozesse zu verstehen", sagte der Co-Autor Christopher Harvey, Ph.D.

Ein einzigartiger Aspekt dieser Studie war die Verwendung der virtuellen Realität zur Erstellung eines Labyrinths anstelle eines traditionellen physischen Labyrinths. Dieser Ansatz wurde in den letzten Jahren im Tanklabor entwickelt.

Die Mäuse liefen und rannten auf der Oberfläche eines kugelförmigen Laufbandes, während ihr Kopf im Weltraum stationär blieb, was ideal für die Bildgebung des Gehirns ist. Computergenerierte Ansichten virtueller Umgebungen wurden auf einen Weitwinkelbildschirm projiziert, der das Laufband umgab. Die Bewegung der Kugel, die durch das Gehen und Drehen der Maus erzeugt wird, wurde von optischen Sensoren am Äquator des Balls erfasst und verwendet, um die visuelle Anzeige zu ändern und eine Bewegung durch eine virtuelle Umgebung zu simulieren.

Um das Gehirn abzubilden, verwendeten die Forscher ein optisches Mikroskop, das mithilfe von Infrarotlaserlicht tief unter die Oberfläche blickte, um eine Population von Neuronen zu visualisieren und deren Feuer aufzuzeichnen.

Das Virtual-Reality-System, kombiniert mit dem Bildgebungssystem und einem Kalziumsensor, ermöglichte es den Forschern, Populationen einzelner Neuronen zu sehen, die im arbeitenden Gehirn feuern. "Es ist, als würden wir einen Computer öffnen und alle Signale untersuchen, um herauszufinden, wie es funktioniert", sagte Tank.

Die Forscher geben zu, dass Studien an Populationen einzelner Neuronen, die als Messungen der zellulären Auflösung bezeichnet werden, eine Herausforderung darstellen, da das Gehirn Milliarden von Neuronen enthält, die eng zusammengepackt sind.

Die vom Panzerlabor entwickelte Instrumentierung ist eine der wenigen, die das Brennen von Gruppen einzelner Neuronen im Gehirn aufzeichnen kann, wenn ein Subjekt wach ist. Die meisten Studien zur Gehirnfunktion beim Menschen umfassen die Untersuchung der Aktivität in ganzen Regionen des Gehirns mit einem Instrument wie der Magnetresonanztomographie (MRT), das die Aktivität vieler tausend Neuronen zusammen mittelt.

"Die Daten zeigen ziemlich deutlich, dass zumindest eine Form des Kurzzeitgedächtnisses auf einer Folge von Neuronen basiert, die die Informationen von einem zum anderen weitergeben, eine Art 'neuronale Eimer-Brigade'", sagte Christof Koch, ein Neurowissenschaftler nicht an der Studie beteiligt.

Die Studie wurde online in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Quelle: Princeton University