Das einsamste Neuron

Warum weiß nicht jedes Neuron über alles Bescheid?

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Dort lebt es, das einsamste Neuron. Das Neuron, das am weitesten von der Außenwelt entfernt ist. Am weitesten von den Eingaben Ihrer Sinne entfernt; am weitesten von den Ausgängen zu Ihren Muskeln. Es wird nie den Geschmack eines kalten Bieres, den Geruch einer Rose, das tiefe Rot eines Briefkastens, die Berührung der Hand eines Babys erfahren. Es wird niemals rennen, tanzen, springen oder schwimmen.

Aber es wird entfernte Echos von all diesen Dingen erhalten. Es wird sie zusammenfügen, um ein Bild der Welt für Sie zu machen. Die einsamsten Neuronen wissen alles.

Dennoch existiert kein Teil des Gehirns isoliert von den anderen. Es ist alles ein riesiges verbundenes System. Wie mein Kopfhörerkabel (im Ernst, wo ist das Ende dieses Knotens?). Wohin senden die einsamsten Neuronen ihre Bilder von der Welt? Sie sagen uns, dass die vielleicht größte Frage in den Neurowissenschaften ist:

Warum weiß nicht jedes Neuron über alles Bescheid?

Nimm das Sehen. Auf der Rückseite unserer Netzhaut befindet sich ein komplexer Kreislauf aus den Photorezeptoren, die pingen, wenn ein Photon auf sie trifft, die mehrere Schichten von Neuronen zum Leben erwecken, die dann ihr Signal an den Rest des Gehirns ausspucken (rückwärts mit den Neuronen verdrahtet) vor den Fotorezeptoren sitzen, als würde man versuchen, mit den Kabeln vor dem Bildschirm fernzusehen). Sofort teilt sich das Signal, einige gehen bis zum ersten „visuellen“ Kortex, andere bis zum Hirnstamm. Von diesen ersten Wegstationen wandert das Signal weiter, tiefer in den Kortex, tiefer in das Gehirn. Während wir von Ihrer Netzhaut nach vorne stürmen, bewegen wir uns tief in Ihr Gehirn hinein, von Neuron zu Neuron zu Neuron.

Greifen Sie nach Ihrem Telefon. Ihre Arm- und Schultermuskeln ziehen sich unterschiedlich zusammen und entspannen sich, um Ihre Hand von ihrem Standort zu Ihrem Telefon zu bewegen. Neuronen in Ihrem Rückenmark verbinden sich direkt mit diesen Muskeln; Das Abfeuern dieser Neuronen zieht den Muskel zusammen. Hinter diesen Neuronen befinden sich andere Neuronen in Ihrem Rückenmark. weiter dahinter die Neuronen in Ihrem Hirnstamm und im motorischen Kortex. Wenn wir uns von den Muskeln zurückziehen, bewegen wir uns nach oben und durch Ihr Gehirn, von Neuron zu Neuron zu Neuron.

Und irgendwo treffen wir die einsamsten Neuronen. Die Neuronen treten am weitesten von den Sinnen vor; die meisten Schritte von den Muskeln zurück. Aber sie sind mit ihnen verbunden. Für sie alle schließlich. Sollte dies nicht bedeuten, dass die Aktivität der einsamsten Neuronen mit allem zusammenhängt?

Ja tut es. Die einsamsten Neuronen befinden sich möglicherweise irgendwo in der dunkelsten Ecke des präfrontalen Kortex - beispielsweise im infralimbischen Bereich - viele Schritte, die aus den Regionen des Kortex entfernt wurden und von den Sinnen direkt eingegeben werden oder mit den Neuronen im Rückenmark sprechen. Die neuronale Aktivität im präfrontalen Kortex scheint jedoch über alles Bescheid zu wissen. Dort können Neuronen ihre Aktivität entsprechend der Vergangenheit (Erinnerung) und der Zukunft (bevorstehende Entscheidungen) ändern. auf die Farbe und Bewegung von Objekten in der Welt; dorthin, wo das Tier gerade ist. Einige, vielleicht die meisten Neuronen im präfrontalen Kortex reagieren sogar auf Kombinationen dieser Dinge.

Oder die einsamsten Neuronen befinden sich möglicherweise im schräg undurchsichtigen Globus Pallidus - einem blassen Globus von Neuronen, der unter dem Striatum versteckt ist und ihre Ranken in alle anderen Kerne der Basalganglien erreicht. Weit weg von den Sinnen und Bewegungen. Die Neuronen haben hier jedoch unterschiedliche Aktivitäten, je nachdem, wie sich der Arm bewegen soll. und anders reagieren, wenn eine Belohnung geliefert wird, wenn dies nicht der Fall ist.

Wo immer sie sich befinden, wenn wir die Aktivität der einsamsten Neuronen aufzeichnen, sehen wir tatsächlich, dass sie sowohl auf sensorische als auch auf motorische Ereignisse reagieren, sowohl auf die Vergangenheit als auch auf die Zukunft.

Auf den ersten Blick passen die einsamsten Neuronen gut zu unserer alten Idee, dass Ihr Gehirn in ungefähr drei Teile unterteilt ist: sensorische Systeme, die Informationen einbringen; Motorsysteme, die Dinge geschehen lassen; und "Assoziations" -Bits, die die beiden zusammenstricken. Die Art von Weltanschauung, die wir Medizinern in ihren Neuroanatomieklassen beibringen. (Der Prüfer betritt das Anatomietheater und steckt eine kleine Fahne in ein zufälliges Stück eingelegter grauer Substanz, wirbelt herum und bellt die Klasse an: „Was ist das und was macht es?“ Die Klasse murmelt etwas über motorischen Kortex und Kontrolle der Gliedmaßen. Tatsächliche Antwort: Wir haben weniger Ahnung als eine Teekanne über Kalkül, aber Mediziner dürfen das nicht zugeben.

Aber das einsamste Neuron sagt uns, dass diese Aufteilung zutiefst falsch ist. Wenn wir uns einmal in das eigentliche Gehirn hineinbewegen, weg von den Sinnen und ihren speziellen Neuronen, gibt es kein Neuron, das irgendwann nicht mehr miteinander verbunden ist. Wir können jedes Neuron zufällig nehmen und nachdem wir die Verbindungen von diesem Neuron zum nächsten und zum nächsten und weiter gesprungen haben, können wir immer weiter zu jedem anderen Neuron im Gehirn gelangen. Wir können einen Weg von jedem Sinn zu jedem Neuron verfolgen; von jedem Neuron zu jedem Muskel. Wir können vom einsamsten Neuron zu jedem anderen Neuron gelangen. Wir können zu den Neuronen in dem ersten Stück Kortex zurückkehren, das sieht; bis zu den Neuronen im Rückenmark. Wenn wir einen Weg vom Rückenmark zum visuellen Kortex verfolgen können; vom Auge zum motorischen Kortex; vom präfrontalen Kortex bis zum blutigen überall - sollten wir dann nicht sehen, dass die Aktivität von Neuronen überall mit allem zusammenhängt?

Wir wurden hier behindert, weil wir unsere Aufzeichnungen des Gehirns basierend auf unserem alten dreiteiligen Zerhacken des Gehirns interpretieren. Wir suchen nach sensorischen Reaktionen in Neuronen innerhalb des festgelegten sensorischen Systems. für Aktivitäten, die der Bewegung in Neuronen innerhalb des bezeichneten Motorsystems vorausgehen; und für komplexe Kombinationen von Dingen, die die Vergangenheit mit der Zukunft verbinden, in der Aktivität von Neuronen im Assoziationssystem. Wir suchen normalerweise nicht nach motorischen Reaktionen in sensorischen Regionen und umgekehrt. Weil das Lehrbuch es nicht erwähnte.

Aber mit fortschreitender Aufnahmetechnologie haben wir zufällig aus immer mehr Bereichen außerhalb der „klassischen“ aufgenommen. Und mit fortschreitender Labortechnologie haben wir begonnen, Tiere in virtuelle Welten zu versetzen, in denen sie gleichzeitig rennen und sehen und berühren können, während wir viele Neuronen aus ihrem Gehirn aufzeichnen. Und wir bemerken Dinge. Seltsame Dinge. In jüngster Zeit haben wir gesehen, dass das Gehen die Aktivität im primären visuellen Kortex verändert. Diese Aktivität dort ändert sich auch durch die erwartete Belohnung. Wir haben Aktivitäten über den Fehler gesehen, der bei der Vorhersage der Belohnung im trotzig motorischen Kleinhirn gemacht wurde. Wir haben eine Bewegung gesehen, die von den trotzigen Dopamin-Neuronen des Belohnungssystems gesteuert wird. Dies sind alles starke Hinweise darauf, dass Signale überall hingehen und von überall her kommen.

Es wird noch mehr kommen. Viel mehr. Wir stehen vor einer Ära, in der Labore routinemäßig von vielen verschiedenen Ebenen des Gehirns gleichzeitig aufzeichnen. Nicht nur der Kortex oder nur der Globus Pallidus oder wo auch immer; aber über Teile des Vorderhirns, des Mittelhirns und des Hinterhirns gleichzeitig. Diese Labore haben also Aufzeichnungen von dem Teil des Gehirns, der für dieses Labor am interessantesten ist. und zufällig auch aus vielen anderen Teilen des Gehirns.

Und wir werden feststellen, dass die meisten Regionen, aus denen wir aufnehmen, Neuronen haben, die speziell für das aktiviert werden, was wir bewirken (ein Licht blinken lassen, einen Ton spielen) oder das das Tier tut (lecken, rennen, drehen usw.). Nicht nur dort, wo wir früher gesucht haben, sondern überall und ungefähr zur gleichen Zeit. Ich denke, diese Aufnahmen werden uns dazu zwingen, tief darüber nachzudenken, was wir unter „neuronaler Kodierung“ verstehen.

Vielleicht haben wir die grundlegenden Fragen der neuronalen Codierung alle falsch. Vielleicht sollten wir nicht fragen, ob jedes Neuron eine bestimmte Sache darstellt. Wenn dieses bestimmte Neuron etwas über diesen Lichtblitz weiß. Oder dieser weiß, dass Sie im Begriff sind, einen Fußball zu treten (schlecht, dann umfallen). Oder dieses Neuron weiß von der Sahnetorte, die Sie im hinteren Teil des Kühlschranks aufbewahrt haben und die durch den Kürbis, den Sie dort hineingelegt haben, schlau verdeckt ist, weil das offensichtlich nichts versteckt, nein. Denn wenn wir einen Weg von jedem Neuron zum anderen verfolgen können und überall Einblicke in Neuronen erhalten, die auf Dinge reagieren, von denen wir nie gedacht haben, dass sie sie kennen, dann sollte die Frage vielleicht lauten: Warum scheinen viele Neuronen nicht auf alles zu reagieren? . Was unterteilt Informationen im Gehirn?

Zwei Mechanismen fallen mir ein; zweifellos gibt es andere. Zum einen endet die Kette von Schritten von Neuron zu Neuron in der Neuromodulation. Dopamin-Neuronen sind nervöse kleine Bastarde, die jedes Mal, wenn etwas entfernt Überraschendes passiert, die Aktivität abbrechen. Sie setzen Dopamin über ein weites Volumen des Gehirns frei, wo es nicht direkt mehr Aktivität auslöst. Vielmehr erhöht oder senkt es, wie stark ein anderes Neuron auf seine Eingaben reagiert (es moduliert das Neuron); Es kann auch steuern, ob sich die Stärke der Eingaben in dieses Neuron ändert oder nicht. Die in der Aktivität von Dopamin-Neuronen enthaltenen Informationen werden also nicht direkt übertragen, sondern stattdessen verwendet, um die Aktivität anderer Neuronen zu steuern. Andere Neuromodulatoren wie Serotonin arbeiten auf die gleiche Weise. Ein weiterer Mechanismus besteht darin, dass die Schrittkette von Neuron zu Neuron in einer auf Hemmung spezialisierten Gehirnstruktur endet. Anstatt ein Signal weiterzuleiten, invertieren die Neuronen in diesem Teil des Gehirns es und wandeln es in eine Hemmung um, so dass mehr von diesem Signal in weniger Signal in ihren Zielen umgewandelt wird. Kurz gesagt, die Hemmung ist das, was Informationen unterteilt, indem sie ihr Auftreten an anderer Stelle verhindert. Das Signal "Es muss man wissen und man muss es nicht wissen, Kumpel".

Einsamstes Neuron An der Kreuzung meines Geistes Was denkst du?

Wir haben gute Gründe zu glauben, dass Gehirne - zumindest komplexe Gehirne - ein Modell der Welt bilden. Dass die Aktivität von Neuronen die derzeit beste Vermutung des Gehirns darüber darstellt, was draußen passiert, die Vorhersage des Gehirns über den aktuellen Zustand der Welt. Ein Grund, warum wir glauben, dass das Gehirn Vorhersagen macht, ist, dass die schiere Menge an sensorischen und Bewegungsinformationen, die einem Gehirn zu jedem Zeitpunkt zur Verfügung stehen, zu groß ist, um verwendet zu werden. Stattdessen wird eine Stichprobe erstellt, und diese Stichprobe wird verwendet, um die Vorhersagen zu aktualisieren, wenn sie nicht mit den Aussagen der Stichproben übereinstimmen.

(Ein klassisches Beispiel für den Aufbau eines Modells durch das Gehirn ist Ihr blinder Fleck: das Stück der Netzhaut, das keine Rezeptoren hat, weil dort Ihr Sehnerv die Netzhaut verlässt, um mit dem Rest des Gehirns zu sprechen. Dennoch können Sie das Stück sehen Die Welt, auf die Ihr blinder Fleck zeigt, aus einer Kombination des Gehirns, das aus dem extrapoliert, was die umgebenden Rezeptoren „sehen“ können und aus dem, was das andere Auge in dieser Region des Weltraums sehen kann. Ja, wirklich: Machen Sie den Test.

Eine unterteilte Ansicht des Gehirns impliziert, dass dieses Modell der Welt von getrennten Informationsströmen gespeist wird. Dass es einen Informationsstrom aus Ihren Augen gibt, der über die visuellen Teile des Kortex kommt. Ein weiterer Strom aus Ihren Ohren über Ihren auditorischen Kortex. Ein anderer von Ihrer Haut, Ihrer Berührung, über Ihren somatosensorischen Kortex. Und so weiter. Wenn dies der Fall wäre, wären die einsamsten Neuronen dort, wo diese Ströme zusammenlaufen. Sie wären die Hüter des Modells.

Und dann würden sie irgendwie ihre Vorhersagen zurück in die Bäche schicken, getrennt: "Sie, Vision - das wird in Kürze mit den Augen passieren". Gibt es wirklich getrennte Modelle für das Sehen im visuellen Kortex und für den Ton im auditorischen Kortex und für das Betreten irgendwo?

Sicher, die einsamsten Neuronen spielen wahrscheinlich eine Schlüsselrolle bei der Zusammenstellung des Modells. Wenn wir jedoch von den einsamsten Neuronen zu jedem anderen Neuron zurückkehren können, ist das Gehirn dann nicht nur ein einziges großes Modell?

Denn wenn das Sehen über Geräusche Bescheid weiß und Geräusche über das Drehen Bescheid wissen und Armbewegungen über das Sehen Bescheid wissen, ist es verdammt einfach, die kochend heiße Tasse Tee aufzunehmen, die Ihre Mutter neben Ihnen auf den Tisch gestellt hat, ohne sich zu verbrühen dumm. Und dafür können wir alle dankbar sein.

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