Forschungsbericht 2021 - Assoziierte Einrichtung - Ernst Strüngmann Institute (ESI) for Neuroscience

Kohärenz auf den Kopf gestellt

Autoren
Hempel, Katharina; Schneider, Marius; Vinck, Martin
Abteilungen
Assoziierte Einrichtung - Ernst Strüngmann Institute (ESI) for Neuroscience, Frankfurt am Main
Zusammenfassung
Mit dem Begriff „Kohärenz“ bezeichnet man in den Neurowissenschaften gleiche Schwingungen (Oszillationen), die zwischen Hirnarealen entstehen. Ist Kohärenz ein Kommunikationsmechanismus oder ein Nebenprodukt der anatomischen Verbundenheit? Unsere Experimente am Ernst Strüngmann Institute (ESI) for Neuroscience sowie ein Modell zeigten, dass – entgegen früherer Vermutungen – Kohärenz aus Kommunikation resultiert, basierend auf der anatomischen Verbundenheit verschiedener Hirnareale und ihrer oszillatorischen Leistung.

Einleitung

Als unser Doktorand Marius Schneider mit seinen Forschungen begann, dachte er nicht einmal im Traum daran, dass die Ergebnisse seines ersten Projekts kurz darauf in einer der führenden Fachzeitschriften seines Fachs veröffentlicht und eine etablierte Theorie auf den Kopf stellen würden: die Annahme, dass die Kommunikation zwischen Hirnarealen gleiche Schwingungen voraussetzt.

Kohärenz ist keine Voraussetzung für Kommunikation

Mit dem Begriff „Kohärenz“ bezeichnet man in den Neurowissenschaften gleiche Schwingungen (Oszillationen), die von Neuronen-Populationen erzeugt werden. Bisher ging die Forschung davon aus, dass unterschiedliche Hirnbereiche besonders gut miteinander kommunizieren, weil Kohärenz ihre Verbindung verstärkt.. Die Oszillationen wiederum erzeugen elektromagnetische Felder, die an der Kopfhaut oder im Gehirn mittels Elektroenzephalographie (EEG) gemessen werden können.

Unsere Forschungsgruppe um Martin Vinck hat diesen Ansatz nun auf den Kopf gestellt. In einem aktuellen Artikel in der Fachzeitschrift „Neuron“, dessen Erstautor unser Doktorand Marius Schneider ist, entwickeln wir eine neue mathematische Theorie von Kohärenz und Kommunikation.  Wir zeigen dass Kohärenz einfach dadurch entsteht, dass einzelne Neuronen in einem Bereich aktiv sind und (synaptische) Impulse in anderen Bereichen erzeugen. Dies hat zur Folge, dass die elektrischen Signale in den einzelnen Bereichen auf vorhersehbare Weise kohärent werden. Mit einer eleganten mathematischen Formel konnten wir beweisen, dass Kohärenz keine Voraussetzung für Kommunikation, sondern vielmehr eine direkte Folge der anatomischen Verbindung zwischen zwei Hirnbereichen und der Signalstärke ist.

Beweisführung mit neuen Technologien

Darüber hinaus stellten wir fest, dass Kohärenz hauptsächlich durch das sendende Gehirnareal bestimmt wird, nicht durch das empfangende. Und dass Kohärenz kaum Informationen darüber liefert, ob tatsächlich Kommunikation stattfindet.

Dies kann mit der folgenden Szene verglichen werden: Eine Person läuft eine Straße entlang, plötzlich ruft jemand etwas auf der anderen Straßenseite. Vielleicht bleibt die Person stehen, weil sie etwas gehört hat. Vielleicht geht die Person weiter, weil sie die Sprache nicht verstanden und sich folglich nicht angesprochen gefühlt hat. Vielleicht gibt es keine Reaktion, weil ein vorbeifahrender Lkw den Ruf übertönt. In allen Fällen wurde etwas gerufen, und die Geräusche auf den gegenüberliegenden Straßenseiten wurden miteinander in Verbindung gebracht. Aber nur aufgrund des Rufes kann nicht davon ausgegangen werden, dass die Nachricht auch empfangen oder verarbeitet wurde. Und es bedeutet auch nicht, dass die Kohärenz der Mechanismus ist, durch den der Ton übertragen wird.

Um unsere Theorie zu beweisen, wandten wir unsere Gleichungen auf eine große Anzahl bereits vorhandener Datensätze an. Dazu erhoben wir weitere Daten von Mäusen und Makaken, wobei wir neue Technologien wie Neuropixelsonden und Optogenetik, eine lichtgesteuerte Technik zur Steuerung der Aktivität von Neuronen, einsetzten. Dies war echte Teamleistung – ohne die Unterstützung aller Mitarbeitenden unseres Labors wären wir niemals so schnell vorangekommen. Und unsere Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis von Gehirnnetzwerken in gesundem und krankem Zustand: Sie liefern ein mechanistisches und funktionelles Verständnis der Kohärenzmuster zwischen elektrischen Feldsignalen und ermöglichen präzise Rückschlüsse auf die synaptische Konnektivität aus Gehirnaufzeichnungen.

Beitrag: Katharina Hempel

Literaturhinweise

1.

Schneider, M.; Broggini, A.C.; Dann, B.; Tzanou, A.; Uran, C.; Sheshadri, S.; Scherberger, H.; Vinck, M.

A mechanism for inter-areal coherence through communication based on connectivity and oscillatory power.
Neuron 109, 4050-4067.e12. (2021)

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