Neuronal avalanches in awake macaque V1 and V4
Diese Studie zeigt, dass neuronale Lawinen im wachen Makaken-Frühen-Visuellen-Kortex (V1 und V4) eine robuste Potenzgesetz-Skalierung und kritische Dynamiken aufweisen, die denen in motorischen Arealen zuvor beobachteten ähneln, trotz der Anwesenheit eines starken strukturierten afferenten Antriebs.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Das Gehirn ist keine statische Maschine; es ist ein lebendiges Netzwerk, das niemals wirklich ruht. Selbst wenn wir an nichts Bestimmtes denken, feuern Milliarden von Neuronen in komplexen, sich verschiebenden Mustern. Seit Jahrzehnten fragen sich Wissenschaftler, ob dieses Hintergrundrauschen zufälliges Chaos ist oder ob es einer verborgenen Ordnung folgt. Eine überzeugende Idee legt nahe, dass das Gehen am „kritischen Punkt“ operiert, einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Ordnung und Chaos, an dem Informationen am effizientesten fließen. In diesem Zustand können kleine Funken von Aktivität manchmal schnell absterben, aber andere Male können sie zu massiven Wellen synchronisierter Entladungen anschwellen, ganz ähnlich wie eine kleine Schneeflocke eine große Lawine auslöst. Diese Kaskaden, bekannt als neuronale Lawinen, scheinen einem spezifischen mathematischen Muster zu folgen, bei dem die Häufigkeit kleiner Ereignisse hoch ist, große Ereignisse jedoch, obwohl sie selten sind, dennoch oft genug auftreten, um einer vorhersagbaren Kurve zu entsprechen. Wenn das Gehirn tatsächlich an diesem kritischen Punkt lebt, würde dies bedeuten, dass das Netzwerk perfekt darauf abgestimmt ist, Informationen zu verarbeiten – weder zu starr, um sich zu verändern, noch zu chaotisch, um einen Gedanken festzuhalten.
Bis vor kurzem wurde dieses Phänomen deutlich in den motorischen Bereichen von wachen Affen beobachtet, die die Bewegung steuern, sowie in Gehirnschnitten von Tieren unter Anästhesie. Eine entscheidende Frage blieb jedoch unbeantwortet: Existiert dieselbe kritische Organisation auch im visuellen Kortex eines wachen Tieres? Das visuelle System ist einzigartig, da es ständig mit starken, strukturierten Signalen aus den Augen bombardiert wird. Wissenschaftler mussten wissen, ob dieser starke externe Input das empfindliche Gleichgewicht der Lawinen stören würde oder ob die internen Regeln des Gehirns zur Organisation der Aktivität stark genug sind, um auch dann fortzubestehen, während das Tier die Welt betrachtet.
Um dies zu beantworten, wandten sich die Forscher an einen massiven Datensatz, der von zwei ausgewachsenen Makaken aufgezeichnet wurde. Diesen Tieren waren Arrays mit über tausend winzigen Elektroden implantiert, die über zwei Schlüsselbereiche des visuellen Gehirns verteilt waren: den primären visuellen Kortex, der die ersten Signale von den Augen empfängt, und ein höheres Gebiet, das komplexere visuelle Details verarbeitet. Die Affen saßen ruhig in einem dunklen Raum und führten keine spezifische Aufgabe aus, was es den Wissenschaftlern ermöglichte, der spontanen Aktivität des Gehirns zuzuhören. Die Forscher konzentrierten sich auf Momente, in denen die Tiere wach waren, filterten Phasen des Schlafes oder der Schläfrigkeit sorgfältig heraus, und achteten genau darauf, ob die Augen der Affen offen oder geschlossen waren. Durch die Analyse der elektrischen Signale dieser Elektroden suchten sie nach den charakteristischen Anzeichen von Lawinen: Clustern von Aktivität, die klein begannen und wuchsen und dabei dem spezifischen statistischen Muster folgten, das auf ein System hindeutet, das an einem kritischen Punkt operiert.
Die Ergebnisse waren bemerkenswert. In beiden Affen bildete die spontane elektrische Aktivität diese Kaskaden exakt wie vorhergesagt. Die Größen der Lawinen folgten dem erwarteten Muster über einen Bereich, der mehr als das Zehnfache des kleinsten Ereignisses umfasste, was bestätigte, dass der visuelle Kortex – selbst während er starke Signale von den Augen erhält – auf die gleiche Weise organisiert ist wie der motorische Kortex. Die Forscher testeten die Robustheit dieses Befundes, indem sie die Regeln ihrer Analyse änderten. Sie betrachteten die Daten mit unterschiedlichen Zeitfenstern, erhöhten die Schwelle dafür, was als Ereignis zählte, und entfernten sogar große Zahlen von Elektroden, um zu sehen, ob das Muster Bestand hatte. In jedem Fall blieb die Potenzgesetz-Beziehung intakt. Wenn sie die zeitliche Abfolge der Signale so vertauschten, dass Ereignisse auf verschiedenen Elektroden nicht mehr gleichzeitig auftraten, verschwand das Muster, was bewies, dass die Organisation real und nicht nur ein statistischer Zufall war. Sie fanden auch heraus, dass der Abschlusspunkt, an dem die größten Lawinen aufhörten, perfekt mit der Anzahl der beobachteten Elektroden skalierte, was darauf hindeutet, dass die Größe der größten Ereignisse nur dadurch begrenzt wird, wie viel vom Gehirn sie sehen können, und nicht durch die interne Dynamik des Gehirns.
Einer der faszinierendsten Teile der Studie betraf den Augenzustand der Affen. Die Forscher verglichen die Gehirnaktivität, wenn die Augen der Tiere offen oder geschlossen waren. Intuitiv könnte man erwarten, dass sich das Gehirn sehr unterschiedlich verhält, wenn der Zustrom visueller Inputs unterbrochen wird. Die Studie ergab jedoch, dass die grundlegenden Statistiken der Lawinen nahezu unverändert blieben. Ob die Augen offen oder geschlossen waren, die Größe der Kaskaden, die Geschwindigkeit, mit der sie wuchsen, und das Gleichgewicht der Aktivität innerhalb des Netzwerks blieben gleich. Die beobachteten Unterschiede waren so gering, dass sie weit unter den natürlichen Variationen zwischen verschiedenen Aufzeichnungsstellen im selben Gehirn lagen. Dies deutet darauf hin, dass die interne Organisation des Gehirns bemerkenswert stabil und robust ist und in der Lage ist, ihren kritischen Zustand aufrechtzuerhalten, selbst wenn sich die Außenwelt dramatisch verändert.
Die Forscher stellten auch fest, dass es zwar ein konsistentes Gesamtbild gab, es jedoch subtile Unterschiede zwischen den beiden Affen und zwischen verschiedenen Aufzeichnungsorten innerhalb des Gehirns gab. Diese Variationen waren größer als die Veränderungen, die durch das Öffnen oder Schließen der Augen verursacht wurden, was darauf hindeutet, dass die spezifische Architektur des Gewebes oder die technischen Details der Aufzeichnung die exakten Zahlen prägen könnten. Die Studie fand keine Beweise dafür, dass das Gehirn in einem Zustand perfekter, unveränderlicher Kritikalität arbeitet, sondern vielmehr, dass es eine stabile, kritisch-ähnliche Organisation aufrechterhält, die gegenüber Änderungen des sensorischen Inputs resistent ist. Diese Arbeit erweitert unser Verständnis darüber, wie das Gehirn funktioniert, indem sie zeigt, dass die elegante, skalenfreie Organisation neuronaler Lawinen nicht auf die motorische Kontrolle oder ruhige, anesthetisierte Zustände beschränkt ist, sondern ein fundamentales Merkmal des wachen, sensorverarbeitenden Gehirns ist.
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