Das unsichtbare Gehirn

Der Begriff der dunklen Materie ruft, wie der Name schon sagt, ein Gefühl des Ätherischen und Mysteriösen hervor. Man denkt wahrscheinlich zuerst an das hypothetische Material, das 85% der Dichte des Universums ausmacht. Das ist mir eingefallen, als ich ein neues Papier sah, in dem eine Theorie der dunklen Materie des Gehirns behandelt wurde. Der Artikel, der letzten Monat in Brain Structure and Function veröffentlicht wurde, soll den Leser davon überzeugen, dass große Mengen an 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 einem biologischen Phänomen die Bezeichnung Dunkle Materie verliehen wird. Das Humangenomprojekt entdeckte, dass bis zu 98% des Genoms nicht kodierende DNA ist - mit anderen Worten, DNA, die kein Protein kodiert. Die Gliazellen, aus denen die meisten Zellen im Gehirn bestehen, galten früher als bloße strukturelle, im Wesentlichen stille „dunkle Materie“ des Gehirns. 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.

Der Artikel stammt von Saak Ovsepian, der mehrere akademische Anstellungen 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 lösen keine Aktionspotentiale aus und kommunizieren nicht mit nachgeschalteten Neuronen. Er baut diese Theorie auf zwei Grundprinzipien auf: 1) Es besteht eine Diskrepanz zwischen dem erforderlichen Energieverbrauch des Gehirns aufgrund seiner geringen Größe und dem tatsächlichen Energieverbrauch. Paradoxerweise verbraucht das Gehirn über 20% der gesamten Körperenergie und macht dennoch 2% des Körpergewichts aus. Er vermutet, dass diese Fehlpaarung eher auf Neuronen zurückzuführen ist, die andere Neuronen (inhibitorische Interneuronen) hemmen, die aktiver sind als ihre Gegenstücke, die exzitatorischen Neuronen. Wenn also hemmende Neuronen den größten Teil der Brände im Gehirn ausmachen, sollte es eine große Population von Neuronen geben, die nicht feuern - weil sie gehemmt werden. 2) Elektrophysiologische Aufzeichnungen und funktionelle Bildgebung in Versuchsmodellen zeigen, dass mehr als die Hälfte der Neuronen im Gehirn funktionsstumm sind. Der letztgenannte Punkt stammt aus dem ersten Punkt. Darauf konzentrieren wir uns hier.

Was halten wir von dieser Neuaufnahme in die Liste der mysteriösen, wenn auch gerade unbekannten Phänomene? Es ist definitiv ein Hinweis auf 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 funktionale Aufzeichnungen (ob elektrophysiologisch oder bildgebend) belegen die Existenz stiller Neuronen. Ovsepian geht davon aus, dass es im Gehirn Populationen von Neuronen gibt, die, wenn sie in Gegenwart verschiedener Reize aufgezeichnet werden, niemals ein Aktionspotential für das nächste Neuron im Schaltkreis auslösen. Egal wie oft 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 versuchten, die sie testeten. Es ist wahrscheinlich, dass sie auf der Liste der Stimuli nicht den richtigen Stimulus erreicht haben. Es wäre sicherlich ein langwieriges, langwieriges und teures Experiment, jeden denkbaren 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 [d.h. sparse coding]… aber ob diese Überlegungen das ewige Schweigen der überwiegenden Mehrheit der Neuronen im gesamten Gehirn erklären können, bleibt abzuwarten. “

Wo ich tatsächlich denke, dass diese Theorie etwas Wasser enthält, liegt in ihrer Vorhersage, dass wir uralte, evolutionär ruhende Kreisläufe aufrechterhalten. Ovsepian beschreibt den Erwerb von Talenten wie bei autistischen Gelehrten oder Reliktverhalten, wie es bei unseren Vorfahren, die Tausende von Jahren vor der Zivilisation lebten, zu beobachten ist, die bei Patienten mit Schizophrenie auftauchen. Die Vorstellung, dass hemmende Neuronen diese Talente und Verhaltensweisen in Schach halten, scheint plausibel. Die Enthemmung, die in stressigen Zeiten auftritt, könnte die bemerkenswerten Fähigkeiten von Gelehrten sowie das schädliche Verhalten bei Schizophrenie aufdecken.

Man könnte jedoch argumentieren und ich würde zustimmen, dass das obige Phänomen das Ergebnis der Geburt mit zu vielen funktionierenden Neuronen sein könnte. 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 von ruhenden Kreisläufen notwendig; Sie sind bereits da und funktionieren, wenn auch unangemessen. Was in diesem Modell nicht klar ist, ist, warum das Funktionsgewinnverhalten später im Leben auftritt, als man es von einem Entwicklungsproblem erwarten könnte (z. B. wird Schizophrenie normalerweise erst Anfang der zwanziger Jahre asymptomatisch).

Die Theorie von Ovsepian hilft, dieses Fortschrittsmuster zu erklären. Stellen Sie sich eine Person vor, die mit einem Erbgut geboren wurde, das für Schizophrenie prädisponiert. Nehmen wir an, die Risikogene sind an der Myelinisierung * von hemmenden Interneuronen beteiligt. Wir haben uns so entwickelt, dass unser Gehirn erst im Alter von etwa 30 Jahren vollständig myelinisiert ist. Wenn sich das Hirnmyelin dieser Person etwas langsamer entwickelt als die anderen und sich das Gehirn so entwickelt hat, dass es mit 21 Jahren mit einer vorgegebenen Menge an Myelin funktionieren sollte, kann die Hirnschwelle für die Behandlung eines Stressors gesenkt werden. Dies scheint der Fall zu sein. Der Lebensstress steigt um das 20. Lebensjahr, das auch das höchste Schizophrenie-Alter darstellt. Es scheint dann möglich, dass der Verlust der inhibitorischen Interneuronfunktion aufgrund eines bekannten Defekts Schaltkreise hemmen könnte, die bei einer „normalen“ Person nicht funktionieren würden. Die Dunkle-Materie-Theorie 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, die eine dunkle Materie unterstützen - wahrscheinlich besser als dunkles Neuron beschrieben -, ein bisschen dünn sind. Andererseits verleiht die Idee, dass alte neuronale Netze untätig sind, der Evolution des Gehirns eine faszinierende Wendung. Vielleicht haben wir eines Tages jeden plausiblen Anreiz für jeden Stromkreis 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.