Neues Schaltkreismodell bietet Einblicke in Gehirnfunktion
Der Thalamus und der retikuläre Thalamuskern befinden sich im Herzen des Säugetiergehirns und spielen bekanntermassen eine Schlüsselrolle bei einer Vielzahl von Funktionen, einschliesslich der Übertragung sensorischer Informationen an den Kortex und des Übergangs zwischen Gehirnzuständen wie Schlaf und Wachsein. Veränderungen in der Aktivierung und Interkonnektivität der Thalamusneuronen wurden jedoch mit pathologischen Hirnrhythmen und Veränderungen der rhythmischen Hirnwellen während des Schlafs in Verbindung gebracht, die bei Erkrankungen wie Schizophrenie, neurologischen Entwicklungsstörungen, Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung und Alzheimer-Krankheit beobachtet wurden.
Das von Blue Brain entwickelte neue Modell ist das erste, das die komplexen Formen und biophysikalischen Eigenschaften von 14 000 Neuronen erfasst, die durch 6 Millionen Synapsen miteinander verbunden sind. Es kann zur Erforschung der strukturellen und funktionellen Komplexität neuronaler Schaltkreise verwendet werden. Das Modell repliziert auch mehrere unabhängige experimentelle Befunde auf Netzwerkebene in verschiedenen Hirnzuständen und liefert eine neuartige, vereinheitlichende zelluläre und synaptische Erklärung für spontane und evozierte Aktivität sowohl im Wachzustand als auch im Schlaf.
Eine der wichtigsten Erkenntnisse der Studie ist, dass der hemmende Rebound, ein Prozess, der zur Regulierung der Aktivität von Nervenzellen beiträgt, eine Verstärkung der thalamischen Antworten während des Wachzustands bei bestimmten Frequenzen bewirkt. Das Modell zeigte auch, dass thalamische Interaktionen das charakteristische An- und Abschwellen von Spindeloszillationen, den rhythmischen Gehirnwellen, die während des Schlafs zu beobachten sind, erzeugen, und dass Veränderungen in der Erregbarkeit der Thalamuszellen die Häufigkeit und das Auftreten dieser Spindeloszillationen steuern.
«Dies ist besonders wichtig, um das Vorhandensein oder Fehlen von Spindeln bei verschiedenen Hirnkrankheiten zu interpretieren», betont Erstautorin Elisabetta Iavarone. «Dieser Ansatz führte zum ersten morphologisch und biophysikalisch detaillierten Modell eines thalamischen Mikroschaltkreises und zeigt, dass die Modellierungsstrategie, die Blue Brain für kortikale Mikroschaltkreise entwickelt hat, auch auf andere Hirnregionen angewendet werden kann», fügt Henry Markram, Gründer und Direktor des Blue Brain Project, hinzu.
«Computermodelle und -simulationen können die Integration und Standardisierung verschiedener experimenteller Datenquellen erleichtern, fehlende Schlüsselexperimente aufzeigen und gleichzeitig ein Instrument zum Testen von Hypothesen und zur Erforschung der strukturellen und funktionellen Komplexität neuronaler Schaltkreise bieten», erklärt Sean Hill, Co-Direktor des Blue Brain Project und wissenschaftlicher Direktor des Krembil Centre for Neuroinformatics.
Die in der neuesten Ausgabe von Cell Reports veröffentlichten Forschungsergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der Rolle des Thalamus und des retikulären Thalamuskerns bei Hirnfunktionen und -störungen dar. Das vom Blue Brain Project an der EPFL entwickelte Modell ist nun für Forschende zugänglich, die es für ihre eigenen Studien nutzen können.
«Dieses Modell ist frei zugänglich und bietet ein neues Instrument zur Interpretation von Spindeloszillationen und zum Testen von Hypothesen über die Funktion und Dysfunktion des thalamoretikulären Schaltkreises in verschiedenen Netzwerkzuständen bei Gesundheit und Krankheit», fasst Hill zusammen.
