Teile des Gehirns offline, auch wenn wir wach sind

Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass Teile des Gehirns auf natürliche Weise ein- und ausgeschaltet werden, selbst wenn wir wach sind. Forscher der Stanford University glauben, dass dies zu Interventionen führen könnte, um sicherzustellen, dass die Bereiche des Gehirns, die wir verwenden, online sind und die maximale Leistung erbringen.

Wissenschaftler erklären, dass die Aktivität unseres Gehirns in einem tiefen Schlaf in großen, offensichtlichen Wellen ab- und abfließt, als würde man beobachten, wie eine Flut menschlicher Körper aufsteigt und sich um ein Sportstadion setzt. Es ist schwer zu übersehen.

In der neuen Studie stellten die Forscher fest, dass im Wachzustand dieselben Zyklen existieren wie im Schlaf, jedoch nur kleine Abschnitte im Einklang sitzen und stehen und nicht das gesamte Stadion. Es ist, als ob winzige Teile des Gehirns unabhängig voneinander einschlafen und die ganze Zeit wieder aufwachen.

Darüber hinaus scheint es, dass die Neuronen, wenn sie in den aktiveren oder eingeschalteten Zustand übergegangen sind, besser auf die Welt reagieren können. Die Neuronen verbringen auch mehr Zeit im eingeschalteten Zustand, wenn sie auf eine Aufgabe achten. Dieser Befund legt nahe, dass Prozesse, die die Gehirnaktivität im Schlaf regulieren, ebenfalls eine Rolle bei der Aufmerksamkeit spielen könnten.

"Selektive Aufmerksamkeit ist vergleichbar damit, kleine Teile Ihres Gehirns ein bisschen wacher zu machen", sagte Tatiana Engel, Ph.D., eine Postdoktorandin und Co-Hauptautorin der kürzlich veröffentlichten Veröffentlichung Wissenschaft.

Der ehemalige Doktorand Nicholas Steinmetz ist der andere Co-Hauptautor. Die neurophysiologischen Experimente wurden im Labor von Dr. Tirin Moore, Professor für Neurobiologie und einer der leitenden Autoren, durchgeführt.

Um diese neu entdeckten Zyklen zu verstehen, muss man ein wenig darüber wissen, wie das Gehirn organisiert ist.

Wenn Sie eine Nadel direkt in das Gehirn stecken würden, würden alle Gehirnzellen, die Sie getroffen haben, auf die gleichen Dinge reagieren. In einer Spalte reagieren möglicherweise alle auf Objekte in einem bestimmten Teil des Gesichtsfelds - beispielsweise oben rechts.

Das Team verwendete Sätze von sehr empfindlichen Stiften, die die Aktivität einer Neuronensäule im Gehirn aufzeichnen können.

In der Vergangenheit hatten die Menschen gewusst, dass einzelne Neuronen Phasen durchlaufen, in denen sie mehr oder weniger aktiv sind, aber mit dieser Sonde sahen sie zum ersten Mal, dass alle Neuronen in einer bestimmten Säule zwischen dem sehr schnellen und dem anschließenden Brennen zusammenlaufen viel langsamere Rate, ähnlich wie bei koordinierten Zyklen im Schlaf.

"Während eines Einschaltzustands fangen alle Neuronen schnell an zu feuern", sagte Dr. Kwabena Boahen, Professorin für Bioingenieurwesen und Elektrotechnik in Stanford und leitende Autorin des Papiers.

„Dann wechseln sie plötzlich einfach zu einer niedrigen Schussrate. Dieses Ein- und Ausschalten geschieht ständig, als würden die Neuronen eine Münze werfen, um zu entscheiden, ob sie ein- oder ausgeschaltet werden sollen. “

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

Das Team stellte fest, dass sich die höheren und niedrigeren Aktivitätszustände auf die Fähigkeit beziehen, auf die Welt zu reagieren.

Die Gruppe hatte ihre Sonde in einer Region des Gehirns bei Affen, die spezifisch einen Teil der visuellen Welt erfasst. Die Affen waren darauf trainiert worden, auf einen Hinweis zu achten, der darauf hinweist, dass sich etwas in einem bestimmten Teil des Gesichtsfeldes - beispielsweise oben rechts oder unten links - leicht ändern würde. Die Affen bekamen dann eine Belohnung, wenn sie richtig identifizierten, dass sie diese Änderung gesehen hatten.

Als das Team einen Hinweis darauf gab, wo eine Änderung auftreten könnte, verbrachten die Neuronen in der Spalte, die diesen Teil der Welt wahrnimmt, mehr Zeit im aktiven Zustand.

Im Wesentlichen wechselten alle gemeinsam weiter zwischen Staaten, aber sie verbrachten mehr Zeit im aktiven Zustand, wenn sie aufpassten. Wenn die Reizänderung eintrat, während sich die Zellen in einem aktiveren Zustand befanden, war es auch wahrscheinlicher, dass der Affe die Änderung korrekt identifizierte.

"Der Affe ist sehr gut darin, Reizänderungen zu erkennen, wenn sich die Neuronen in dieser Spalte im eingeschalteten Zustand befinden, aber nicht im ausgeschalteten Zustand", sagte Engel. Selbst wenn der Affe wusste, dass er auf einen bestimmten Bereich achten musste, verpasste der Affe häufig eine Reizänderung, wenn die Neuronen in einen Zustand niedrigerer Aktivität wechselten.

Engel sagte, diese Erkenntnis sei vielen Menschen vertraut. Manchmal denkst du, du passt auf, betonte sie, aber du wirst immer noch Dinge vermissen.

Die Wissenschaftler sagten, die Ergebnisse beziehen sich auch auf frühere Arbeiten, bei denen festgestellt wurde, dass wachsamere Tiere und Menschen dazu neigen, Pupillen zu haben, die stärker erweitert sind.

In der aktuellen Arbeit waren die Pupillen des Affen auch erweitert, als die Gehirnzellen mehr Zeit in einem aktiven Zustand verbrachten. Die Ergebnisse zeigen eine Wechselwirkung zwischen synchronen Schwingungen im Gehirn, Aufmerksamkeit für eine Aufgabe und äußeren Anzeichen von Wachsamkeit.

"Es scheint, dass die Mechanismen, die Aufmerksamkeit und Erregung zugrunde liegen, ziemlich voneinander abhängig sind", sagte Moore.

Die Forschung bringt neue Fragen.

Die Ermittler sagen, eine Untersuchung, die aus dieser Arbeit hervorgeht, ist, warum die Neuronen in einen Zustand niedrigerer Aktivität übergehen, wenn wir wach sind. Warum nicht einfach die ganze Zeit im aktiveren Zustand bleiben?

Eine Antwort könnte sich auf Energie beziehen. "Es gibt Stoffwechselkosten, die damit verbunden sind, dass Neuronen ständig feuern", sagte Boahen. Das Gehirn verbraucht viel Energie und wenn es den Zellen möglicherweise die Möglichkeit gibt, das energetische Äquivalent zum Sitzen zu erreichen, kann das Gehirn Energie sparen.

Wenn Neuronen sehr aktiv sind, erzeugen sie auch zelluläre Nebenprodukte, die die Zellen schädigen können. Engel wies darauf hin, dass die Zustände mit geringer Aktivität Zeit lassen könnten, um diesen neuronalen Abfall zu beseitigen. "Dieses Papier schlägt Orte vor, an denen nach diesen Antworten gesucht werden kann", sagte Engel.

Quelle: Stanford University