Das unsichtbare Gehirn

Der Begriff der dunklen Materie zaubert, wie der Name schon sagt, ein Gefühl des Ätherischen und Mysteriösen. Man denkt wahrscheinlich zuerst an das hypothetische Material, das 85% der Dichte des Universums ausmacht. Das kam mir in den Sinn, als ich ein neues Papier sah, das eine Theorie der dunklen Materie des Gehirns erweitert. Das Papier, das letzten Monat in Brain Structure and Function veröffentlicht wurde, soll den Leser davon überzeugen, dass große Mengen von Neuronen im Gehirn während der gesamten Lebensdauer „still“ bleiben. Diese stillen Ensembles von Neuronen bilden diese sogenannte dunkle Materie.

Historisch gesehen ist dies nicht das erste Mal, dass ein biologisches Phänomen die Bezeichnung Dunkle Materie erhält. Das Humangenomprojekt entdeckte, dass bis zu 98% des Genoms nicht-kodierende DNA ist - mit anderen Worten, DNA, die kein Protein kodiert. Darüber hinaus wurde früher angenommen, dass die Gliazellen, aus denen die meisten Zellen im Gehirn bestehen, lediglich strukturelle, im Wesentlichen stille „dunkle Materie“ des Gehirns sind. Wir wissen jetzt, dass selbst die nicht-kodierenden Regionen der DNA zelluläre Funktionen erfüllen, die Wissenschaftler noch aufklären. Es wurde festgestellt, dass Gliazellen ein wesentlicher Bestandteil der Gehirnfunktion sind.

Das Papier stammt von Saak Ovsepian, der mehrere akademische Termine an mehr neurowissenschaftlichen Instituten in Europa hat als jeder Autor, den ich jemals gesehen habe. In der Arbeit beschreibt Ovsepian eine Population von Neuronen im Gehirn, die im Wesentlichen still bleiben - sie feuern keine Aktionspotentiale ab und kommunizieren nicht mit nachgeschalteten Neuronen. Er baut diese Theorie auf zwei Grundprinzipien auf: 1) dass es eine Diskrepanz zwischen dem erforderlichen Energieverbrauch des Gehirns aufgrund seiner geringen Größe und dem tatsächlichen Energieverbrauch gibt. Paradoxerweise verbraucht das Gehirn über 20% der gesamten Körperenergie, macht jedoch 2% des Körpergewichts aus. Er schlägt vor, dass diese Fehlpaarung eher auf Neuronen zurückzuführen ist, die andere Neuronen (inhibitorische Interneurone) hemmen, die aktiver sind als ihre Gegenstücke, die exzitatorischen Neuronen. Wenn also hemmende Neuronen den größten Teil des Feuers im Gehirn ausmachen, sollte es große Populationen von Neuronen geben, die nicht feuern - weil sie gehemmt werden. 2) Elektrophysiologische Aufzeichnungen und funktionelle Bildgebung in experimentellen Modellen zeigen, dass mehr als die Hälfte der Neuronen im Gehirn funktionell still sind. Der letzte Punkt oben stammt aus dem ersten Punkt, daher konzentrieren wir uns hier darauf.

Was halten wir von diesem Neuzugang in der Liste der mysteriösen, wenn auch derzeit unbekannten Phänomene? Es erinnert definitiv an den Mythos, dass wir nur 10% unseres Gehirns verwenden. Das Problem, das ich mit dieser Theorie habe, ist jedoch der zweite Punkt von oben: Aktuelle Funktionsaufzeichnungen (ob elektrophysiologisch oder bildgebend) belegen die Existenz stiller Neuronen. Ovsepians Prämisse, und er liefert eine bedeutende Anzahl von Studien, um seine Behauptung zu stützen, ist, dass es Populationen von Neuronen im Gehirn gibt, die, wenn sie in Gegenwart verschiedener Reize aufgezeichnet werden, niemals ein Aktionspotential für das nächste Neuron im Kreislauf auslösen. Egal wie viele Arten Sie sie anstoßen, sie reagieren nicht. Ich denke, das offensichtliche Problem ist, dass wenn die Experimentatoren einfach nicht die richtigen Stimuli für die bestimmten Neuronen ausprobiert haben, die sie getestet haben. Es ist wahrscheinlich, dass sie auf der Wäscheliste der Reize einfach nicht den richtigen Reiz erreicht hatten. Es wäre sicherlich ein langwieriges, langwieriges und teures Experiment, jeden erdenklichen Reiz an jedem einzelnen Neuron auszuprobieren. Kein Doktorand würde sich für dieses Projekt anmelden. Der Autor erkennt diesen möglichen Fehler in seiner Theorie an:

„Eine weitere mögliche Erklärung für das Vorhandensein einer großen Anzahl inaktiver Neuronen ist ihre enge Abstimmung, um nur auf bestimmte Eingaben zu reagieren [dh spärliche Kodierung]. Ob diese Überlegungen jedoch die fortwährende Stille der überwiegenden Mehrheit der Neuronen im gesamten Gehirn erklären können, bleibt abzuwarten gezeigt."

Wo ich tatsächlich denke, dass diese Theorie etwas Wasser enthält, liegt in ihrer Vorhersage, dass wir alte, evolutionär ruhende Schaltkreise aufrechterhalten. Ovsepian beschreibt den Erwerb von Talenten wie bei autistischen Gelehrten oder Reliktverhalten, wie sie bei unseren Vorfahren zu sehen sind, die Tausende von Jahren vor der Zivilisation leben und bei Patienten mit Schizophrenie auftauchen. Die Vorstellung, dass hemmende Neuronen diese Talente und Verhaltensweisen in Schach halten, erscheint plausibel. Die Enthemmung, die in stressigen Zeiten auftritt, könnte die bemerkenswerten Fähigkeiten von Gelehrten sowie die schädlichen Verhaltensweisen bei Schizophrenie aufdecken.

Man könnte jedoch argumentieren, und ich würde zustimmen, dass die oben genannten Phänomene das Ergebnis einer Geburt mit zu vielen funktionierenden Neuronen sein könnten. Das Gehirn beginnt mit weit mehr Verbindungen zwischen Neuronen als es benötigt. Während sich der Organismus entwickelt, wird die Anzahl der Verbindungen verringert. Es wird jetzt angenommen, dass diese fremden Verbindungen zu den Verhaltensweisen führen, die bei Autismus und Schizophrenie beobachtet werden - keine Enthemmung ruhender Schaltkreise notwendig; Sie sind bereits vorhanden und funktionieren, wenn auch unangemessen. Was in diesem Modell nicht klar ist, ist, warum das Funktionsgewinnverhalten später im Leben auftaucht, als man es von einem Entwicklungsproblem erwarten könnte (z. B. wird Schizophrenie normalerweise erst Anfang der zwanziger Jahre asymptomatisch).

Ovsepians Theorie hilft, dieses Fortschrittsmuster zu erklären. Stellen Sie sich eine Person vor, die mit einem Erbgut geboren wurde, das sie für Schizophrenie prädisponiert. Nehmen wir an, die Risikogene sind an der Myelinisierung * hemmender Interneurone beteiligt. Wir haben uns so entwickelt, dass unser Gehirn erst mit etwa 30 Jahren vollständig myelinisiert ist. Wenn sich das Gehirnmyelin dieser Person etwas langsamer entwickelt als das seiner Altersgenossen und das Gehirn sich so entwickelt hat, dass es im Alter von 21 Jahren mit einer vorgegebenen Menge Myelin funktioniert, kann die Schwelle seines Gehirns für die Behandlung eines Stressors gesenkt werden. Dies scheint der Fall zu sein. Der Lebensstress steigt um das 20. Lebensjahr an, das auch das Alter mit der höchsten Inzidenz von Schizophrenie ist. Es scheint also möglich, dass der Verlust der hemmenden Interneuronfunktion aufgrund eines bekannten Defekts Schaltkreise enthemmen könnte, die bei einer „normalen“ Person nicht funktionieren würden. Die Theorie der dunklen Materie hilft zu erklären, warum sich die bei diesen Patienten beobachtete Psychose zu diesem Zeitpunkt entwickelt und nicht wie erwartet früher.

Alles in allem denke ich, dass die Daten zur Unterstützung einer dunklen Materie - wahrscheinlich besser als dunkles Neuron beschrieben - der Theorie der Gehirnfunktion etwas dünn sind. Auf der anderen Seite fügt die Idee, dass alte neuronale Netze im Leerlauf sitzen, der Evolution des Gehirns eine faszinierende Wendung hinzu. Vielleicht haben wir eines Tages jeden plausiblen Reiz für jeden Kreislauf ausprobiert, um festzustellen, ob tatsächlich eine Population von Neuronen schlummert, die darauf warten, freigesetzt zu werden.

* Myelin ist eine Fettschicht, die sich um neuronale Axone wickelt und es ihnen ermöglicht, Signale schneller und effizienter abzufeuern.