Was passiert im Gehirn, wenn wir eine Entscheidung treffen? Ein großes Konsortium von Neurowissenschaftlern enthüllt die erste vollständige Karte der Gehirnaktivität dieses komplexen Prozesses bei Mäusen.
Dank einer bisher unerreichten Zelle-für-Zelle-Auflösung stellt diese Gehirnkarte die traditionelle hierarchische Sicht der Informationsverarbeitung im Gehirn in Frage. Sie zeigt, dass das Gehirn in der Lage ist, viele Regionen zu koordinieren, um verschiedene externe Reize gleichzeitig zu verarbeiten, aber auch Vorhersagen auf der Grundlage früherer Erfahrungen zu treffen, um seine Entscheidung zu fällen. Diese Ergebnisse sind Gegenstand von zwei Artikeln, die in
Nature veröffentlicht wurden.
Aktivierungsrate der Neuronen im gesamten Gehirn während eines durchschnittlichen Versuchs der Entscheidungsfindungsaufgabe, durchgeführt im Rahmen der IBL-Studie.
© Dan Birman. IBL Das IBL, das offiziell 2017 gestartet wurde, hat ein neues Modell der Zusammenarbeit in den Neurowissenschaften eingeführt, das einen standardisi Satz von Werkzeugen und Informationsmanagement zwischen mehreren Laboratorien bündelt und so die Reproduzierbarkeit der Daten gewährleistet. "Dank dieser groß angelegten Zusammenarbeit haben 21 Laboratorien gemeinsam an einem einzigen experimentellen Modell gearbeitet, um die individuelle Aktivität von mehr als 650.000 Neuronen in 279 Gehirnarealen aufzuzeichnen, was 95 % des Gehirnvolumens der Maus entspricht", erläutert Alexandre Pouget, ordentlicher Professor an der Abteilung für Grundlegende Neurowissenschaften der Medizinischen Fakultät der UNIGE und Mitbegründer des IBL.
Es gibt eine ständige Kommunikation zwischen den verschiedenen Bereichen des Gehirns während des gesamten Entscheidungsprozesses.
Ein Gehirn, das leuchtet wie ein Weihnachtsbaum
Die Wissenschaftler verwendeten Neuropixels-Sonden, eine besondere Art von Elektroden, um gleichzeitig die neuronale Aktivität aufzuzeichnen und die Gehirnaktivität von Mäusen zu messen, die eine Entscheidungsaufgabe durchführten. Vor einem Bildschirm platziert, mussten sie ein kleines Rad nach links oder rechts drehen, in Richtung eines sporadisch auftauchenden Lichts, um eine Belohnung zu erhalten. Manchmal war das Licht jedoch so schwach, dass das Tier raten musste, in welche Richtung es das Rad drehen sollte.
"Die Maus nutzt dann die Häufigkeit, mit der das Licht zuvor links oder rechts aufgetaucht ist, um Vermutungen anzustellen, was es uns ermöglicht zu untersuchen, wie die auf früheren Erfahrungen basierende Vorhersage die Wahrnehmung und Entscheidungsfindung beeinflusst", erklärt Alexandre Pouget. "Und wir haben festgestellt, dass sich, wenn es sich entscheidet, das gesamte Gehirn wie ein Weihnachtsbaum erleuchtet!"
Aus diesen Experimenten entstand eine extrem detaillierte Kartierung des Gehirns in einer Entscheidungssituation, vom allerersten Beginn des Prozesses bis zum Erhalt der Belohnung.
Zwei wichtige Entdeckungen
Die Forschungsteams machten daraufhin zwei wichtige Entdeckungen. Erstens sind die Entscheidungssignale über das gesamte Gehirn verteilt. Sie sind nicht nur in bestimmten Regionen lokalisiert, im Gegensatz zum allgemein anerkannten Modell einer hierarchischen Entscheidungsstruktur. "Es gibt eine ständige Kommunikation zwischen den verschiedenen Bereichen des Gehirns während des gesamten Entscheidungsprozesses", erklärt der Forscher.
Darüber hinaus sind frühere Erwartungen, also das, was man aufgrund früherer Erfahrungen für wahrscheinlich hält, im gesamten Gehirn kodiert und nicht nur in den für Kognition zuständigen Bereichen. Die Teile des Gehirns, die für die Verarbeitung sensorischer Informationen zuständig sind oder die Aktionen steuern, spielen ebenfalls eine zentrale Rolle in der Fähigkeit des Gehirns, Vorhersagen zu treffen und somit Verhaltensreaktionen zu lenken.
Diese Entdeckungen sind wichtig für das Verständnis einiger neuropsychiatrischer Störungen wie Schizophrenie und Autismus, bei denen die Steuerung von Antizipation und Belohnung gestört zu sein scheint.
"Traditionell untersuchen die Neurowissenschaften die Gehirnregionen isoliert. Die Aufzeichnung des gesamten Gehirns gibt uns nun die Möglichkeit zu verstehen, wie alle Teile zusammenpassen", betont Kenneth Harris, Professor für quantitative Neurowissenschaften am UCL und eines der Schlüsselmitglieder des IBL.
Handeln für eine offene Wissenschaft
Eines der Prinzipien, die das IBL leiten, ist das Engagement für die Demokratisierung und Beschleunigung der Wissenschaft sowie für die Verbesserung der Reproduzierbarkeit von Daten. Die hier veröffentlichte Gehirnkarte steht Teams auf der ganzen Welt zur Verfügung, die sie bereits für zahlreiche Forschungen nutzen.
Darüber hinaus sind alle Daten aus diesen Studien sowie die detaillierten Spezifikationen der für die Datenerfassung verwendeten Werkzeuge und Protokolle frei für die wissenschaftliche Gemeinschaft zugänglich. Weitere Details auf der IBL-Website in den Abschnitten:
Daten,
Werkzeuge,
Protokolle.
Quelle: Universität Genf