Computermodell simuliert Tagträume

Obwohl jeder Tagträume hat, war die Art und Weise, wie das Gehirn Tagträume erzeugt, dunkel.

Jetzt haben Wissenschaftler ein virtuelles Modell des Gehirns erstellt, das wie Menschen Tagträume hat.

Tagträumen wird traditionell als kurzfristige Ablösung von der unmittelbaren Umgebung definiert und beinhaltet die visionäre Fantasie von glücklichen, angenehmen Gedanken, Hoffnungen oder Ambitionen. Oft treten die Tagträume auf, wenn sich eine Person mit Routineaufgaben langweilt.

In der neuen Studie erstellten die Forscher das Computermodell basierend auf der Dynamik von Gehirnzellen und den vielen Verbindungen, die diese Zellen mit ihren Nachbarn und mit Zellen in anderen Gehirnregionen herstellen.

Sie hoffen, dass das Modell ihnen hilft zu verstehen, warum bestimmte Teile des Gehirns zusammenarbeiten, wenn eine Person träumt oder geistig untätig ist. Dies wiederum könnte eines Tages Ärzten helfen, Hirnverletzungen besser zu diagnostizieren und zu behandeln.

"Wir können unseren Modellläsionen wie bei Schlaganfall oder Hirntumor geben und Gruppen virtueller Zellen deaktivieren, um zu sehen, wie die Gehirnfunktion beeinflusst wird", sagte der leitende Autor Maurizio Corbetta von der Washington University School of Medicine in St. Louis. "Wir können auch testen, wie wir die Aktivitätsmuster wieder normalisieren können."

Die Studie ist jetzt online verfügbar in Das Journal of Neuroscience.

Wissenschaftler erkannten erstmals Ende der 1990er und Anfang der 2000er Jahre, dass das Gehirn auch dann beschäftigt bleibt, wenn es keine mentalen Aufgaben wahrnimmt.

Forscher haben mehrere Hirnnetzwerke im Ruhezustand identifiziert, bei denen es sich um Gruppen verschiedener Hirnregionen handelt, deren Aktivitätsniveaus synchron ansteigen und abfallen, wenn sich das Gehirn in Ruhe befindet. Sie haben auch Störungen in Netzwerken, die mit Hirnverletzungen und Krankheiten verbunden sind, mit kognitiven Problemen in Bezug auf Gedächtnis, Aufmerksamkeit, Bewegung und Sprache in Verbindung gebracht.

Das neue Modell wurde entwickelt, um Wissenschaftlern zu helfen, herauszufinden, wie die anatomische Struktur des Gehirns zur Schaffung und Aufrechterhaltung von Netzwerken im Ruhezustand beiträgt.

Die Forscher begannen mit einem Prozess zur Simulation kleiner Gruppen von Neuronen, einschließlich Faktoren, die die Wahrscheinlichkeit verringern oder erhöhen, dass eine Gruppe von Zellen ein Signal sendet.

"In gewisser Weise haben wir kleine Regionen des Gehirns wie kognitive Einheiten behandelt: nicht als einzelne Zellen, sondern als Gruppen von Zellen", sagte Co-Autor Gustavo Deco, Ph.D.

„Die Aktivität dieser kognitiven Einheiten sendet über anatomische Verbindungen anregende Signale an die anderen Einheiten. Dies macht es mehr oder weniger wahrscheinlich, dass die angeschlossenen Einheiten ihre Signale synchronisieren. “

Basierend auf Daten aus Gehirnscans stellten die Forscher 66 kognitive Einheiten in jeder Hemisphäre zusammen und verbanden sie in anatomischen Mustern, ähnlich den im Gehirn vorhandenen Verbindungen.

Wissenschaftler stellten das Modell so auf, dass die einzelnen Einheiten den Signalprozess mit zufälligen niedrigen Frequenzen durchliefen, die zuvor in Gehirnzellen in Kultur und bei Aufzeichnungen der Aktivität des ruhenden Gehirns beobachtet worden waren.

Als nächstes ließen die Forscher das Modell laufen und änderten langsam die Kopplung oder die Stärke der Verbindungen zwischen Einheiten. Bei einem bestimmten Kopplungswert begannen die Verbindungen zwischen Einheiten, die Impulse sendeten, bald koordinierte Aktivitätsmuster zu erzeugen.

"Obwohl wir die kognitiven Einheiten mit zufällig niedrigen Aktivitätsstufen gestartet haben, konnten die Einheiten durch die Verbindungen synchronisiert werden", sagte Deco.

"Das räumliche Synchronisationsmuster, das wir schließlich beobachtet haben, entspricht sehr gut - etwa 70 Prozent - den Mustern, die wir in Scans ruhender menschlicher Gehirne sehen."

Die Verwendung des Modells zur Simulation von 20 Minuten menschlicher Gehirnaktivität dauerte 26 Stunden. Die Forscher konnten jedoch die Mathematik vereinfachen, um das Modell auf einem typischen Computer ausführen zu können.

"Mit diesem einfacheren Ganzhirnmodell können wir verschiedene Hypothesen testen, wie die strukturellen Verbindungen die Dynamik der Gehirnfunktion in Ruhe und während Aufgaben erzeugen und wie sich Hirnschäden auf die Dynamik und die kognitive Funktion des Gehirns auswirken", sagte Corbetta.

Quelle: Washington University in St. Louis