Die Selbstregulation des Gehirns ist der Schlüssel zur Entwicklung

Zusammenfassung: Eine neue Studie zeigt, dass sich die Großhirnrinde während der Entwicklung selbst organisieren und unorganisierte Eingaben in hochorganisierte Aktivitätsmuster umwandeln kann. Diese Selbstorganisation wird durch mathematische Regeln geleitet, die denen anderer natürlicher Systeme ähneln. Störungen dieser Muster können die Sinneswahrnehmung beeinträchtigen und zu neurologischen Entwicklungsstörungen wie Autismus beitragen.

Wichtige Fakten:

• Der Kortex kann die neuronale Aktivität während der Entwicklung selbst regulieren.
• Diese Selbstorganisation wird durch mathematische Regeln der Natur gesteuert.
• Störungen in diesen Mustern können zu neurologischen Entwicklungsstörungen führen.

Quelle: Universität von Minnesota

Veröffentlicht in Naturkommunikationeine internationale Zusammenarbeit zwischen Forschern der University of Minnesota und dem Frankfurt Institute for Advanced Study, untersuchte, wie hochorganisierte Muster neuronaler Aktivität während der Entwicklung entstehen.

Sie fanden heraus, dass die Großhirnrinde unorganisierte Eingaben in hochorganisierte Aktivitätsmuster umwandeln und so Selbstorganisation demonstrieren kann.

„Was diesen Übergang so wichtig macht, ist die Tatsache, dass er anscheinend vollständig im Kortex selbst abläuft, was darauf hindeutet, dass das Gehirn in der Lage ist, seine eigene Funktion während der Entwicklung zu regulieren“, sagte Gordon Smith, Ph.D., Assistenzprofessor an der University of Maryland School of Medicine. .

„Dies deutet darauf hin, dass Störungen dieser kleinräumigen Interaktionen die Gehirnfunktion erheblich verändern, möglicherweise die Sinneswahrnehmung beeinträchtigen und möglicherweise zu neurologischen Entwicklungsstörungen wie Autismus beitragen könnten.“

In einem selbstorganisierenden System verbinden sich kleinräumige Interaktionen zu einer großräumigen Organisation. Durch die enge Kombination von Theorie und Experiment konnte das Forscherteam zeigen, dass mathematische Regeln, die denen der gefundenen ähneln, Muster in einer Vielzahl lebender und nichtlebender Systeme bestimmen, beispielsweise die Flecken auf manchen Fischen und die Räume zwischen Sanddünen. Es steuert auch die Entwicklung des Gehirns.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Muster neuronaler Aktivität im frühen Kortex dynamisch durch Rückkopplungsschleifen entstehen, die ein Gleichgewicht zwischen lokaler Aktivierung und lateraler Unterdrückung beinhalten, was eine theoretische Hypothese der Gehirnentwicklung bestätigt, die Jahrzehnte zurückreicht“, sagte Matthias Kaschub, Ph.D., Professor an der Universität Frankfurt. Institute for Advanced Studies und Co-Forscher der Studie.

Das Forschungsteam verwendete visuelle Werkzeuge, die kürzlich an der University of Maryland entwickelt wurden, um zu veranschaulichen, wie die großräumige Struktur sich entwickelnder Gehirnnetzwerke aus den Netzwerken selbst entsteht und nicht aus einer externen Quelle gedruckt wird.

„Durch den Einsatz modernster optischer Techniken konnten wir mit diesen Experimenten eine seit langem bestehende wissenschaftliche Theorie testen und zeigen, dass das Gehirn seine eigene Aktivität während der frühen Entwicklung reguliert“, sagte Dr. Smith, der auch Mitglied des Medical Discovery Teams ist . Über visuelle Bildgebung und Gehirnwissenschaften.

In der laufenden Forschung wird untersucht, wie sich Veränderungen in selbstorganisierten Mustern neuronaler Aktivität zu Beginn der Entwicklung auf die Sinneswahrnehmung im späteren Entwicklungsstadium auswirken.

Finanzierung: Die Finanzierung erfolgte durch das National Eye Institute [grant R01EY030893-01]Whitehall-Stiftung [2018-05-57]Nationale Wissenschaftsstiftung [IIS-2011542]Das Bundesministerium für Bildung und Forschung [BMBF 01GQ2002].

Über Neuigkeiten aus der neurologischen Entwicklungsforschung

Autor: Alexandra Smith
Quelle: Universität von Minnesota
Kommunikation: Alexandra Smith – Universität von Minnesota
Bild: Bildquelle: Neuroscience News

Ursprüngliche Suche: Offener Zugang.
„Selbstregulierung modulatorischer Aktivität in unreifen kortikalen Netzwerken„Von Gordon Smith et al. Naturkommunikation

eine Zusammenfassung

Selbstregulierung modulatorischer Aktivität in unreifen kortikalen Netzwerken

Während der Entwicklung wird die kortikale Aktivität in modularen, verteilten Mustern organisiert, die einen Vorläufer einer ausgereiften säulenförmigen Funktionsarchitektur darstellen.

Theoretisch könnte eine solche organisierte neuronale Aktivität dynamisch aus lokalen synaptischen Interaktionen durch ein wiederkehrendes Netzwerk effektiver lokaler Erregung mit lateraler Hemmungskonnektivität (LE/LI) entstehen.

Durch die gleichzeitige groß angelegte Kalziumbildgebung und Optogenetik im Kortex juveniler Frettchen vor dem Öffnen der Augen konnten wir mehrere wichtige Vorhersagen des LE/LI-Mechanismus direkt testen. Wir haben gezeigt, dass kortikale Netzwerke regelmäßige Reize in vielfältige modulare Muster umwandeln, die unterschiedliche räumliche Wellenlängen aufweisen.

Darüber hinaus beeinflusst eine strukturierte optogenetische Stimulation, die dieser Wellenlänge entspricht, selektiv die Muster der induzierten Aktivität, während die Stimulation bei unterschiedlichen Wellenlängen die Aktivität in Richtung dieser bestimmten Wellenlänge verschiebt, was einen dynamischen Kompromiss zwischen dem Input-Antrieb und der intrinsischen Tendenz des Netzwerks zur Aktivitätsregulierung offenbart.

Darüber hinaus überschneidet sich die Struktur der frühen spontanen kortikalen Aktivität – die sich in der Entwicklung von Darstellungen der visuellen Orientierung widerspiegelt – stark mit der visuell hervorgerufenen einheitlichen Aktivität, was auf einen gemeinsamen zugrunde liegenden Mechanismus als Grundlage für die Bildung organisierter Säulenkarten hindeutet, die den sensorischen Darstellungen im Gehirn zugrunde liegen . das Gehirn.