Odkryto mechanizm odpowiedzialny za przekazywanie informacji między różnymi obszarami mózgu

streszczenie: Zwiększenie synchronizacji neuronów w obszarze mózgu, które przekazują informacje, prowadzi do znacznej poprawy przekazywania informacji i przetwarzania informacji w obszarze downstream.

źródło: Uniwersytet Bar Ilan

Na początku XX wieku naukowcy zaczęli rejestrować aktywność mózgu za pomocą elektrod przymocowanych do skóry głowy. Ku swemu zdziwieniu zauważyli, że aktywność mózgu charakteryzuje się powolnymi i szybkimi sygnałami w górę iw dół, które później nazwano „falami mózgowymi”.

Od tego czasu fale mózgowe były intensywnie badane w kontekście ich zaangażowania w przetwarzanie i przekazywanie informacji między różnymi obszarami mózgu. W zdrowym mózgu zmianę intensywności fal obserwuje się w kontekście szerokiego zakresu czynności poznawczych, takich jak pamięć i uczenie się.

Ponadto kilka badań wykazało, że zmiany natężenia i częstotliwości fal wskazują na epilepsję, autyzm lub choroby neurodegeneracyjne, takie jak choroba Parkinsona i Alzheimera. Na przykład choroba Alzheimera charakteryzuje się gwałtownym spadkiem natężenia fali o określonej częstotliwości, podczas gdy padaczka charakteryzuje się ostrym i nieprawidłowym wzrostem natężenia fali o innej częstotliwości.

Obecnie wiadomo, że fale mózgowe wyrażają jednoczesną aktywność dziesiątek tysięcy neuronów (neuronów), więc normalny wzrost natężenia fal wyraża jednoczesną aktywność różnych grup neuronów w celu przekazywania informacji. Ale dlaczego iw jaki sposób te fale przyczyniają się do prawidłowego przekazywania informacji w mózgu?

Nowe badanie przeprowadzone przez doktorantkę Talal Dalal w laboratorium profesora Rafiego Haddada z Interdyscyplinarnego Centrum Badań nad Mózgiem Gonda (Goldschmid) na Uniwersytecie Bar Ilan w Izraelu skupia się na tym fundamentalnym pytaniu.

W badaniu opublikowanym w raporty komórkowe, Naukowcy zmienili poziom synchronizacji w obszarze mózgu, który przekazuje informacje. Następnie zbadali, jak wpłynęło to na przekazywanie informacji i jak rozumiał obszar mózgu, który otrzymał informacje.

Badania koncentrowały się na obszarach mózgu wchodzących w skład układu węchowego, czyli zmysłu węchu, który charakteryzuje się siłą silnych fal mózgowych. Specyficzny typ neuronu w tym obszarze jest odpowiedzialny za tworzenie synchronicznej aktywności fal mózgowych.

Aby zwiększyć lub zmniejszyć synchronizację, naukowcy wykorzystali optogenetykę, metodę, która umożliwia włączanie i wyłączanie aktywności neuronowej, podobnie jak przełącznika, poprzez wyświetlanie błysków światła nad mózgiem.

W ten sposób można włączyć lub wyłączyć synchroniczną aktywność neuronów, aby zbadać, jak zmiana synchronicznej aktywności wielu neuronów w jednym regionie wpływa na przekazywanie informacji do następnego regionu, który je odczytuje.

Pierwotny lub „górny” region, którym manipuluje się przez zwiększanie lub zmniejszanie synchronizacji, jest miejscem, w którym pierwotne przetwarzanie zachodzi w układzie węchowym. Stamtąd informacje synchroniczne lub asynchroniczne są przesyłane, w zależności od manipulacji, do wtórnego lub „dolnego” regionu systemu węchowego odpowiedzialnego za przetwarzanie na wyższym poziomie.

Naukowcy odkryli, że zwiększenie synchronizacji neuronów w obszarze mózgu, które przekazują informacje, doprowadziło do znacznej poprawy transmisji i przetwarzania informacji w regionie niższym. Odwrotnie, gdy synchronizacja została zmniejszona, reprezentacja informacji w regionie niższego szczebla uległa pogorszeniu.

Doszło również do nieoczekiwanego odkrycia.

„Byliśmy zaskoczeni, że aktywacja neuronów wywołujących synchronizację spowodowała również niższy poziom ogólnej aktywności w regionie upstream, więc spodziewalibyśmy się mniejszej transmisji informacji do regionu downstream. Ale fakt, że dane wyjściowe z regionu upstream są zsynchronizowane , kompensuje niższą ogólną aktywność, a nawet poprawia transmisję informacji” – wyjaśnia Dalal.

Na tej podstawie naukowcy doszli do wniosku, że synchroniczna aktywność mózgu jest ważna dla przesyłania i przetwarzania informacji. Kiedy tysiące neuronów są zsynchronizowane, informacje są przekazywane w mózgu bardziej solidnie i niezawodnie, w porównaniu z przypadkiem, gdy aktywność jest asynchroniczna, a każdy neuron działa niezależnie, niezależnie od grupy.

Dalal mówi, że można to przyrównać do demonstracji, w której na placu publicznym uczestniczyły dziesiątki tysięcy ludzi, w porównaniu do demonstrantów rozsianych po różnych miejscach. Siła aktywności połączonej i synchronicznej jest ogromna w porównaniu z niezależną aktywnością asynchroniczną.

To odkrycie może wyjaśniać, dlaczego zmniejszona aktywność synchroniczna, wyrażająca się zmniejszeniem intensywności fal mózgowych, może prowadzić do upośledzenia funkcji poznawczych w chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera.

„Do tej pory badania wykazały związek między niską synchronizacją a chorobą neurodegeneracyjną, ale nie wyjaśniono, dlaczego i jak to się dzieje” – mówi Dalal.

„W naszym badaniu wykazaliśmy, w jaki sposób synchronizacja przyczynia się do przekazywania i przetwarzania informacji w mózgu i może dlatego w końcu obserwujemy upośledzenie funkcji poznawczych u pacjentów”.

Zobacz też

Badanie prowadzone przez Dalal i profesora Haddada oferuje nowe możliwości leczenia chorób neurodegeneracyjnych. Nieprawidłowa aktywność mózgu mogłaby potencjalnie zostać skorygowana w przyszłości poprzez specyficzną stymulację pewnych neuronów, taką jak błyski światła używane do manipulacji w tym badaniu, aby przywrócić synchronizację do pożądanego poziomu normalnej aktywności mózgu.

Informacje o przetwarzaniu informacji wyszukiwanie wiadomości

autor: Ilana Oberlander
źródło: Uniwersytet Bar Ilan
Kontakt: Ilana Oberlander – Uniwersytet Bar Ilan
zdjęcie: Zdjęcie jest przypisywane Talal

oryginalne wyszukiwanie: otwarty dostęp.
„Synchronizacja pierwotna usprawnia przetwarzanie zapachów w dalszych neuronachNapisane przez Tal Dalal i in. raporty komórkowe

podsumowanie

Synchronizacja pierwotna usprawnia przetwarzanie zapachów w dalszych neuronach

Przegląd najważniejszych wydarzeń

• Zmodyfikowane działania GC oddzielają MTC wywołane przez zapach od szybkości uwalniania
• Zwiększona synchronizacja MTC poprawia reakcje zapachowe na PC pomimo zmniejszonych wysokości MTC
• Zmniejszona synchronizacja γ degraduje reakcje zapachowe PC
• Interakcje GC-MTC są wystarczające i wymagane do poprawy reakcji zapachu PC

streszczenie

Aktywność oscylacyjna γ jest wszechobecna we wszystkich obszarach mózgu. Kilka badań sugeruje, że synchronizacja prawdopodobnie poprawia transmisję informacji sensorycznych. Jednak nadal brakuje bezpośrednich dowodów przyczynowych.

Tutaj testujemy tę hipotezę w mysim układzie węchowym, w którym lokalne GABAergiczne komórki ziarniste (GC) w postaci wieńcowej opuszki węchowej/uszypułowanej komórki (MTC) pobudzające wydzielanie z opuszki węchowej. Poprzez optyczną modulację aktywności GC z powodzeniem oddzielamy synchronizację MTC od szybkości uwalniania.

Rejestrowanie odpowiedzi zapachowych w dalszych neuronach kory gruszkowatej pokazuje, że zwiększona synchronizacja MTC zwiększa tempo uwalniania zapachu wywołanego przez korę, zmniejsza zmienność odpowiedzi i poprawia reprezentację grup zapachowych.

Zyski te występują pomimo niższej szybkości wypalania MTC. Co więcej, zmniejszenie synchronizacji γ MTC bez zmiany szybkości uwalniania MTC, poprzez tłumienie aktywności GC, degraduje wywołane zapachem odpowiedzi kory gruszkowatej.

Wyniki te dostarczają przyczynowych dowodów na to, że zwiększona synchronizacja γ poprawia przekazywanie informacji czuciowych między dwoma obszarami mózgu.