Die einzigartigen parallelen Bahnen des menschlichen Gehirns

Zusammenfassung: Forscher haben ein einzigartiges Merkmal von Kommunikationsnetzwerken im menschlichen Gehirn entdeckt: die Übertragung von Informationen auf mehreren parallelen Wegen, ein Merkmal, das bei Makaken oder Mäusen nicht beobachtet wurde.

Dieses Ergebnis ergab sich aus einer Studie, die Diffusions- und fMRT-Daten sowie Informations- und Graphentheorie verwendete. Das Team kartierte „Gehirnbewegungen“, um die Signalübertragung im Gehirn verschiedener Säugetiere zu vergleichen.

Ihre Forschung legt nahe, dass diese parallelen Wege beim Menschen zu unseren fortgeschrittenen kognitiven Fähigkeiten beitragen und Auswirkungen auf das Verständnis der Gehirnentwicklung und potenzieller medizinischer Anwendungen haben könnten.

Wichtige Fakten:

1. Die EPFL-Studie ergab, dass menschliche Gehirne im Gegensatz zu Makaken und Mäusen Informationen auf einzigartige Weise über mehrere parallele Wege übertragen.
2. Diese Entdeckung wurde mithilfe einer neuen Kombination aus Diffusions-MRT, funktioneller MRT, Informationstheorie und Graphentheorie gemacht.
3. Die Forschung legt nahe, dass diese parallelen Wege zu höheren kognitiven Funktionen beitragen und neue Einblicke in die Plastizität des Gehirns und die Neurorehabilitation bieten könnten.

Quelle: EPFL

In einer Studie, in der Kommunikationsnetzwerke im menschlichen Gehirn mit denen von Makaken und Mäusen verglichen wurden, fanden Forscher der EPFL heraus, dass nur menschliche Gehirne Informationen auf mehreren parallelen Wegen übertragen, was zu neuen Erkenntnissen über die Evolution von Säugetieren führte.

Bei der Beschreibung von Gehirnkommunikationsnetzwerken verwendet Alessandra Griffa, Postdoktorandin an der EPFL, gerne Reisemetaphern. Gehirnsignale werden von der Quelle zum Ziel gesendet, wodurch ein multisynaptischer Weg entsteht, der mehrere Gehirnregionen kreuzt, „wie eine Straße mit vielen Stopps auf dem Weg“.

Sie erklärt, dass strukturelle Kommunikationswege des Gehirns bereits anhand von Netzwerken („Routen“) von Nervenfasern beobachtet wurden. Doch als Wissenschaftler am Medical Image Processing Laboratory (MIP:Lab) der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der EPFL und Forschungskoordinator am Leenaards Memory Centre des CHUV wollte Griffa Mustern der Informationsübertragung folgen, um zu erfahren, wie Nachrichten gesendet und empfangen werden. In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Naturkommunikation, Sie arbeitete mit MIP:Lab-Leiter Dimitri van de Wiel und SNF Ambizione Fellow Enrico Amico zusammen, um „Gehirnbewegungskarten“ zu erstellen, die zwischen Menschen und anderen Säugetieren verglichen werden konnten.

Um dies zu erreichen, nutzten die Forscher Open-Source-Diffusionsdaten (DWI) und funktionelle Magnetresonanztomographiedaten (fMRT) von Menschen, Makaken und Mäusen, die gesammelt wurden, während die Probanden wach und in Ruhe waren.

DWI-Scans ermöglichten es Wissenschaftlern, „Straßenkarten“ des Gehirns zu rekonstruieren, und fMRT-Scans ermöglichten es ihnen, entlang jeder „Straße“ verschiedene Bereiche des Gehirns aufleuchten zu sehen, was darauf hindeutet, dass diese Bahnen neuronale Informationen übertragen.

Sie analysierten multimodale MRT-Daten mithilfe der Informationstheorie und der Graphentheorie, und Greva sagt, dass es diese neue Kombination von Methoden war, die zu neuen Erkenntnissen führte.

„Was in unserer Studie neu ist, ist die Verwendung multimodaler Daten in einem einzigen Modell, das zwei Zweige der Mathematik kombiniert: die Graphentheorie, die multisynaptische ‚Roadmaps‘ beschreibt, und die Informationstheorie, die die Übertragung von Informationen (oder ‚Verkehr‘) definiert. ) eine Kreuzung.“

„Das Grundprinzip besteht darin, dass Nachrichten, die von der Quelle zum Ziel weitergeleitet werden, bei jedem Stopp auf dem Weg unverändert bleiben oder sich weiter verschlechtern, wie bei dem Telefonspiel, das wir als Kinder gespielt haben.“

Der Ansatz der Forscher ergab, dass in nichtmenschlichen Gehirnen Informationen über eine einzige „Route“ gesendet werden, während es beim Menschen mehrere parallele Pfade zwischen derselben Quelle und demselben Ziel gab. Darüber hinaus waren diese parallelen Spuren so einzigartig wie Fingerabdrücke und konnten zur Identifizierung von Personen verwendet werden.

„Eine solche parallele Verarbeitung wurde im menschlichen Gehirn vermutet, aber noch nie auf der Ebene des gesamten Gehirns beobachtet“, fasst Greva zusammen.

Mögliche Einblicke in Evolution und Medizin

Die Schönheit des Modells der Forscher liegt laut Griffa in seiner Einfachheit und darin, dass es neue Perspektiven und Forschungswege in der Evolution und der Computational Neuroscience inspiriert. Die Ergebnisse könnten beispielsweise mit der zeitlichen Vergrößerung der Gehirngröße des Menschen in Verbindung gebracht werden, was zu komplexeren Konnektivitätsmustern führen würde.

„Wir können davon ausgehen, dass diese parallelen Informationsflüsse vielfältige Darstellungen der Realität und die Fähigkeit ermöglichen, abstrakte, für den Menschen spezifische Funktionen auszuführen.“

Sie fügt hinzu, dass diese Hypothese zwar nur Spekulation sei, wie in… Naturkommunikation Die Studie umfasste keine Tests der arithmetischen oder kognitiven Fähigkeiten der Menschen, und das sind Fragen, denen sie in Zukunft gerne nachgehen würde.

„Wir haben untersucht, wie Informationen übertragen werden. Ein interessanter nächster Schritt wird daher darin bestehen, komplexere Prozesse zu modellieren, um zu untersuchen, wie Informationen im Gehirn kombiniert und verarbeitet werden, um etwas Neues zu schaffen.“

Als Gedächtnis- und Kognitionsforscherin ist sie besonders daran interessiert, anhand des in der Studie entwickelten Modells herauszufinden, ob die parallele Informationsübertragung Gehirnnetzwerken Plastizität verleihen kann, was möglicherweise eine Rolle bei der Neurorehabilitation nach einer Hirnverletzung oder bei der Verhinderung eines kognitiven Verfalls spielt. Bei Alterskrankheiten.

„Manche Menschen altern gesund, während andere einen kognitiven Verfall erleben. Daher möchten wir sehen, ob es einen Zusammenhang zwischen diesem Unterschied und dem Vorhandensein paralleler Informationsflüsse gibt und ob sie trainiert werden können, neurodegenerative Prozesse zu kompensieren.“

Über diese Neuigkeiten aus der neurowissenschaftlichen Forschung

Autor: Celia Lauterbacher
Quelle: EPFL
Kommunikation: Celia Lauterbacher – EPFL
Bild: Bildquelle: Neuroscience News

Ursprüngliche Suche: Offener Zugang.
„Hinweise auf eine erhöhte parallele Informationsübertragung in menschlichen Gehirnnetzwerken im Vergleich zu Makakenaffen und männlichen Mäusen„Von Dimitri van de Wiel et al. Naturkommunikation

eine Zusammenfassung

Hinweise auf eine erhöhte parallele Informationsübertragung in menschlichen Gehirnnetzwerken im Vergleich zu Makakenaffen und männlichen Mäusen

Gehirnkommunikation, definiert als die Übertragung von Informationen über Verbindungen der weißen Substanz, ist die Grundlage der Rechenfähigkeiten des Gehirns, die fast alle Aspekte des Verhaltens umfassen: von der Sinneswahrnehmung, die bei Säugetierarten üblich ist, bis hin zu komplexen kognitiven Funktionen beim Menschen.

Wie haben sich Kommunikationsstrategien in großen Gehirnnetzwerken im Laufe der Evolution angepasst, um immer komplexere Funktionen zu erfüllen?

Durch die Anwendung eines Graphenansatzes und einer Informationstheorie zur Bewertung informationsbezogener Pfade im Gehirn von männlichen Mäusen, Makaken und Menschen zeigen wir die Lücke in der Gehirnkonnektivität zwischen selektiver Informationsübertragung bei nichtmenschlichen Säugetieren, bei denen Gehirnregionen Informationen über individuelle Multifunktionen austauschen -synaptische Bahnen. Parallele Informationsübertragung beim Menschen, bei der Regionen Informationen über mehrere parallele Pfade austauschen. Beim Menschen dient der Paralleltransport als wichtiges Bindeglied zwischen unilateralen und transmodalen Systemen.

Der Aufbau informationsbezogener Pfade ist für Individuen unterschiedlicher Säugetierarten einzigartig, was auf eine Spezifität der Struktur der Informationsweiterleitung auf individueller Ebene hindeutet.

Unsere Arbeit liefert Beweise dafür, dass unterschiedliche Konnektivitätsmuster mit der Entwicklung von Gehirnnetzwerken bei Säugetieren zusammenhängen.