Eine gehirnweite Karte der neuronalen Aktivität während komplexen Verhaltens

Die Sinfonie des Gehirns kartieren: Enthüllung der neuronalen Aktivität während komplexen Verhaltens. Stellen Sie sich vor, Sie könnten in das Gehirn blicken, während es den komplizierten Tanz von Empfindung, Entscheidung und Handlung inszeniert. Diese bahnbrechende Studie bringt uns dieser Vision näher als je zuvor und präsentiert eine beispiellose Karte der neuronalen Aktivität, die sich während einer anspruchsvollen Entscheidungsaufgabe über fast das gesamte Gehirn der Maus erstreckt. Die Herausforderung in der Neurowissenschaft besteht seit langem darin, zu verstehen, wie Hunderte von miteinander verbundenen Regionen sensorische Informationen verarbeiten, vergangene Erfahrungen einweben und letztendlich das Verhalten steuern. Traditionell waren die Bemühungen fragmentiert - verschiedene Labore untersuchten verschiedene Gehirnbereiche, wobei jedes seine eigenen Methoden verwendete. Dieser neue Ansatz vereint das Feld und bündelt Daten aus 12 Labors, die alle Mäuse für die gleiche anspruchsvolle Aufgabe trainiert haben, bei der die Tiere sehen, entscheiden und handeln mussten. Das Ausmaß dieses Unterfangens ist atemberaubend: über 600.000 Neuronen wurden von 139 Mäusen aufgezeichnet, wobei Sonden 279 verschiedene Gehirnbereiche abtasteten. Die Mäuse wurden mit einer visuellen Herausforderung konfrontiert: Sie mussten einen Reiz auf einem Bildschirm erkennen und mit ihren Pfoten ein Rad drehen, um ihre Entscheidung zu signalisieren. Die Aufgabe wurde nicht nur entwickelt, um sensorische und motorische Fähigkeiten zu untersuchen, sondern auch, um zu testen, wie Mäuse Erwartungen nutzen und sich an sich ändernde Wahrscheinlichkeiten anpassen. Während die Mäuse ihre Entscheidungen trafen, nahmen die Sonden die elektrische Sinfonie des Gehirns auf. Visuelle Informationen lösten zunächst eine Aktivität in klassischen visuellen Regionen aus, aber die Signale breiteten sich schnell nach außen aus und griffen auf die Bereiche des Mittelhirns und des Hinterhirns über. Diese Regionen verarbeiteten nicht nur das, was die Mäuse sahen, sondern waren auch tief in die Abwägung von Entscheidungen und die Vorbereitung auf das Handeln involviert. Eine der auffälligsten Entdeckungen ist die Allgegenwart von bewegungsbezogenen Signalen. Egal, ob sich eine Maus darauf vorbereitete, das Rad zu drehen, oder sich tatsächlich bewegte, die neuronalen Echos der bevorstehenden Aktion hallten fast überall im Gehirn wider. Auch das Feedback - sei es eine Belohnung oder eine Auszeit - löste weit verbreitete Reaktionen aus. Der Akt des Leckens, um eine Belohnung zu konsumieren, löste zum Beispiel koordinierte Schwingungen aus, die auf eine gehirnweite Zustandsänderung in Momenten der Zufriedenheit hindeuteten. Aber die Repräsentationen des Gehirns sind nicht einheitlich. Visuelle Reize wurden beispielsweise in traditionellen visuellen Bereichen am robustesten und schnellsten kodiert, dann allmählich und umfassender in Regionen, die mit der Entscheidungsfindung in Verbindung stehen. Entscheidungssignale tauchten inzwischen nicht nur in den frontalen und parietalen Regionen auf, sondern auch im Thalamus, im Mittelhirn, im Hinterhirn und sogar im Kleinhirn, was darauf hindeutet, dass die Entscheidungsfindung weniger die Domäne eines einzelnen Bereichs als vielmehr ein kollektives Unterfangen ist. Überraschenderweise spiegelte die neuronale Aktivität selbst in Regionen, die nicht klassisch mit der Aufgabe in Verbindung gebracht werden – wie der auditive Kortex und das Subiculum – manchmal sensorische, Wahl- oder Bewegungsvariablen wider, insbesondere bei anspruchsvolleren oder langsameren Versuchen. Diese verteilte, dynamische Kodierung verwischt die Grenzen zwischen spezialisierten und allgemeinen Gehirnregionen. Um diese Muster zu entschlüsseln, verwendeten die Forscher fortschrittliche Analysen, prognostizierten Verhaltensvariablen aus der neuronalen Aktivität, analysierten die Beiträge einzelner Zellen und verfolgten die Trajektorien der gesamten Population, während sich die Entscheidungen entfalteten. Das Ergebnis ist eine mehrdimensionale Karte, die sowohl den Informationsfluss als auch seine Transformation bei der Bewegung durch das Gehirn erfasst. Dieser umfangreiche Datensatz, der der wissenschaftlichen Gemeinschaft nun frei zur Verfügung steht, eröffnet neue Grenzen für das Verständnis, wie das Gehirn Empfindung, Erwartung, Handlung und Belohnung integriert. Er lädt uns ein, die Einfachheit des Modells der „lokalisierten Funktion“ zu überdenken und ein Gehirn zu enthüllen, in dem die Berechnung verteilt, flexibel und tief mit inneren Zuständen und der Außenwelt verflochten ist. Die Reise, um die Codes des Gehirns vollständig zu entschlüsseln, geht weiter, aber mit dieser Karte in der Hand sind die Forscher besser als je zuvor gerüstet, um seine Geheimnisse zu entschlüsseln.