Cortical high frequency oscillations reflect encoding and retrieval of specific word concepts

Das menschliche Gehirn ist ein riesiges Netzwerk aus elektrischen Signalen, die ständig feuern, um unsere Gedanken, Erinnerungen und Wahrnehmungen zu erzeugen. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass sich verschiedene Teile dieses Netzwerks beleuchten, wenn wir ein Objekt sehen oder uns einen Namen erinnern. Eine spezifische Rätselhaftigkeit besteht jedoch fort: Wie bewahrt das Gehirn die exakten Details eines einzelnen Konzepts, wie etwa eines bestimmten Wortes, über verschiedene Zeitpunkte hinweg auf? Wenn wir ein Wort sehen und es später abrufen, ohne es erneut zu sehen, verwendet das Gehirn dann dieselbe winzige Gruppe von Neuronen, um diese Idee zu repräsentieren? Das Verständnis dieses Prozesses ist entscheidend, da er offenbart, wie unser Geist separate Erfahrungen zu einem kohärenten Sinn für das Selbst und das Wissen verwebt, doch die Verfolgung dieser flüchtigen neuronalen Ereignisse blieb für Forscher eine große Herausforderung.

Um dieses Rätsel zu lösen, wandte sich ein Team von Forschern an eine einzigartige Gruppe von Freiwilligen: Patienten mit Epilepsie, die bereits wegen intrakranieller Elektrodenaufzeichnungen zur Lokalisierung der Quelle ihrer Anfälle untersucht wurden. Da diese Elektroden direkt auf der Oberfläche des Gehirns platziert werden, können sie die elektrische Aktivität von Neuronen mit einer Präzision erfassen, die nicht-invasive Methoden nicht erreichen können. Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf eine spezifische Art von schnellen elektrischen Entladungen, die als hochfrequente Oszillationen bekannt sind. Dies sind schnelle Wellenbewegungen der Aktivität, die auftreten, wenn Gruppen von Neuronen gemeinsam feuern, und sie wurden mit der schweren Arbeit der Gedächtnisbildung und des Abrufs in Verbindung gebracht. Die Forscher wollten sehen, ob diese Bursts als Signatur für ein einzelnes Wort dienen könnten, indem sie konsistent auftraten, egal ob der Patient das Wort gerade einfach nur ansah oder es aus dem Gedächtnis abrief.

Das Experiment beinhaltete das Zeigen von Patienten einer Reihe gewöhnlicher Substantive, wie zum Beispiel „Apfel“ oder „Stuhl“, und bat sie, zwei verschiedene Aufgaben auszuführen. In der ersten Aufgabe betrachteten die Patienten die Wörter auf einem Bildschirm. In der zweiten Aufgabe wurden sie gebeten, dieselben Wörter frei aus dem Gedächtnis abzurufen, ohne eine visuelle Hilfe zu nutzen. Diese Sitzungen wurden an darauffolgenden Tagen wiederholt, um zu sehen, ob die Reaktion des Gehirns über die Zeit stabil blieb. Die Forscher suchten nach einem Muster: Würde dasselbe spezifische Wort dieselbe einzigartige elektrische Signatur im Gehirn auslösen, unabhängig davon, ob der Patient das Wort gerade sah oder nur darüber nachdachte?

Die Ergebnisse offenbarten eine klare und organisierte Karte darüber, wie das Gehirn diese Konzepte verarbeitet. Wenn die Patienten die Wörter zuerst sahen, traten die elektrischen Bursts in den visuellen Arealen des Gehirns auf, aber diese Reaktionen waren nicht sehr spezifisch; nur etwa 40 Prozent der Neuronen in diesen sensorischen Regionen reagierten eindeutig auf ein bestimmtes Wort. Als sich das Signal in Richtung der Vorderseite des Gehirns bewegte, in die assoziativen Regionen, die für höheres Denken verantwortlich sind, nahm die Selektivität dramatisch zu. In diesen anterioren Bereichen wurde das Gehen viel präziser, wobei spezifische Gruppen von Neuronen fast ausschließlich für das gerade verarbeitete, spezifische Wort feuerten.

Am bedeutendsten war, dass die Studie zeigte, dass diese neuronalen Signaturen beständig waren. Dieselben Gruppen von Neuronen, die auf ein spezifisches Wort während der visuellen Screening-Aufgabe reagierten, feuerten auch, als der Patient dasselbe Wort später abrief, selbst wenn keine sensorische Stimulation vorhanden war, um sie auszulösen. Diese selektive Reaktivation geschah innerhalb derselben Sitzung und setzte sich am folgenden Tag zuverlässig fort. Die Ergebnisse zeigen, dass das Gehirn nicht nur eine vage Idee eines Konzepts speichert; es erhält eine beständige Reaktivation groß angelegter Zellverbände aufrecht, die bestimmten Konzepten zugrunde liegen. Diese Bursts hochfrequenter Aktivität dienen als zuverlässiger Marker und beweisen, dass das Gehirn denselben spezifischen neuronalen Code verwendet, um ein Wort zu repräsentieren, egal ob wir es in der Welt sehen oder aus unserem eigenen Geist abrufen.