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Das menschliche Gehirn funktioniert auf verschiedenen Zeitskalen

    Innerhalb weniger Millisekunden verarbeitet das menschliche Gehirn sensorische Reize, während es komplexe Entscheidungsprozesse hingegen über Minuten beschäftigen. Diese unterschiedlichen Zeitskalen spiegeln sich auch in der Aktivität der Neuronen, d. h., die Variation der intrinsischen Zeitskalen im Neocortex spiegelt die funktionelle Spezialisierung der kortikalen Areale wider. Da man wenig drüber weiß, wie sich diese intrinsischen Zeitskalen während kognitiver Aufgaben verändern, haben Zeraati et al. (2023) die intrinsischen Zeitskalen der lokalen Spiking-Aktivität in den Spalten eines Gehirnareals bei männlichen Affen gemessen, die räumliche Aufmerksamkeitsaufgaben erfüllen mussten. In den Experimenten aus früheren Studien waren Makaken darauf trainiert worden, einen Punkt auf einem Bildschirm zu fokussieren und auf Veränderungen verschiedener visueller Stimuli zu reagieren. Die laufende Spike-Aktivität entwickelte sich dabei über mindestens zwei unterschiedliche Zeitskalen, eine schnelle und eine langsame, d. h., die langsame Zeitskala nahm zu, wenn die Affen auf die Lage der rezeptiven Felder achteten, und korrelierte mit den Reaktionszeiten. Man nahm eine Computersimulation der neuronalen Netzwerke und Prozesse vor und überprüfte verschiedene Hypothesen.

    Bei dieser Auswertung der Vorhersagen verschiedener Netzwerkmodelle fand man heraus, dass die raum-zeitlichen Korrelationen in der Neuronenaktivität am besten durch ein Modell erklärt werden, in dem mehrere Zeitskalen aus rekurrenten Interaktionen entstehen, die durch räumlich angeordnete Konnektivität geformt werden, und die Modulation der Zeitskalen durch die Aufmerksamkeit aus einer Erhöhung der Wirksamkeit der rekurrenten Interaktionen resultiert. Dieses theoretische Modell erklärt auch die Schwankungen während der Bearbeitung der Aufgaben, wobei die Interaktionen zwischen den Neuronen dabei geringfügig effizienter werden, so dass sich das Tempo der neuronalen Ereignisse ändert. Diese Ergebnisse legen nahe, dass multiple Zeitskalen aus der räumlichen Konnektivität im visuellen Cortex entstehen und sich aufgrund dynamischer effektiver Interaktionen zwischen Neuronen flexibel mit dem kognitiven Zustand verändern können.

    Literatur

    Zeraati, Roxana, Shi, Yan-Liang, Steinmetz, Nicholas A., Gieselmann, Marc A., Thiele, Alexander, Moore, Tirin, Levina, Anna & Engel, Tatiana A. (2023). Intrinsic timescales in the visual cortex change with selective attention and reflect spatial connectivity. Nature Communications, 14, doi:10.1038/s41467-023-37613-7.


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