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Brain Rhythm Switch kritisch für das Lernen Gewohnheiten Verhalten
Die Existenz von Gehirnwellen (rhythmische Fluktuationen elektrischer Aktivität, die den Zustand des Gehirns widerspiegeln) ist keine neue Entdeckung und Neurowissenschaftler wissen, dass die Aktivität des Gehirns im Ruhezustand auf einen Alpha-Rhythmus von etwa 8 bis 10 Zyklen oder Hertz pro Sekunde verlangsamt wird.
Neurowissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT) führten eine Studie durch, um zu bewerten, ob diese Wellen eine kognitive Bedeutung haben, wenn überhaupt, in Bezug auf Funktionen wie Lernen und Gedächtnis. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Wechsel zwischen zwei dieser Rhythmen entscheidend für das Erlernen von Verhaltensweisen ist.
Die Studie, veröffentlicht diese Woche in der Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften zeigt, dass bei Ratten, die gelernt haben, ein Labyrinth zu führen, die Aktivität in einer Gehirnregion, die die Habitusbildung steuert, von einem schnellen und chaotischen Rhythmus zu einem langsameren, synchroneren Tempo wechselt. Laut Professor Ann Graybiel, leitender Autor des PNAS-Papiers und leitender Forscher am McGovern-Institut für Hirnforschung am MIT, ist der Wechsel, der in dem Moment stattfindet, in dem die Ratten das Labyrinth zu meistern beginnen, das Signal, dass sich eine Gewohnheit gebildet hat. Dieser Prozess spielt eine Schlüsselrolle beim Verständnis, wie sich das Gehirn während des Lernens neu organisiert.
Rhythmen im Gehirn Die Forschung hat mehrere Gehirnwellen unterschiedlicher Frequenzen bei Menschen und anderen Tieren beobachtet. Hauptautor Graybiel und Doktorand Mark Howe entschieden sich zu untersuchen, ob sie diese Rhythmen mit Veränderungen im Gehirnzustand, die das Lernen begleiten, verbinden könnten. Ihre Studie konzentrierte sich auf Beta-Wellen (Bandbreite 15 bis 28 Hertz), die mit Bewegungsmangel und hohen Gamma-Wellen (Bandbreite 70 bis 90 Hertz) mit sehr aufmerksamen Zuständen verbunden sind.
Graybiels Labor hat früher gezeigt, dass Muster der elektrischen Aktivität im Basalganglienanteil des Gehirns für die Bildung von Gewohnheiten entscheidend sind. Gewohnheiten fangen an, wenn eine bestimmte Aktion eine Art von Nutzen erzielt, jedoch wird diese Aktion mit der Zeit zur zweiten Natur und wird ausgeführt, auch wenn sie keine Belohnung mehr erhält. Im Extremfall könnte das zum Beispiel bedeuten, dass man auch nach dem Juckreiz noch einen Teil des Körpers zerkratzt.
Howe untersuchte Hirnrhythmen in einer Region ganz unten in den Basalganglien, das sogenannte ventrale Striatum, das notwendig ist, um auf Schmerz oder Vergnügen zu reagieren, aber auch stark in Abhängigkeit involviert ist. Um die Gehirnaktivität zu messen, benutzte Howe Ratten, die in einem T-förmigen Labyrinth liefen. Die Tiere mussten lernen, als Antwort auf ein Geräusch nach links oder rechts abzubiegen; Wenn sie das Ende des Irrgartens richtig erreichten, erhielten sie eine Belohnung: Schokoladenmilch.
Während der ersten Läufe, z.B. Während die Ratten noch das Labyrinth lernten, beobachteten die Forscher Bursts der ventralen Striatumaktivität im Gammafrequenzbereich kurz bevor die Ratten das Labyrinth beendeten. Diese Aktivität breitete sich über das gesamte ventrale Striatum aus: Die Zellen synchronisierten sich zu verschiedenen Zeiten auf relativ unkoordinierte Weise mit dem Rhythmus.
Sobald die Ratten lernten, wie die Belohnung verdient wurde, begann die Gammaaktivität zu verblassen, indem sie kurz nach dem Ende des Labyrinths durch kurze Aktivitätsstöße in der Beta-Bande der niedrigeren Frequenzen ersetzt wurde. Im Vergleich zu den ersten Läufen wurde die Aktivität im gesamten ventralen Striatum viel koordinierter.
Verstärkende Gewohnheiten Die Forscher maßen auch die Aktivität einzelner Nervenzellen im ventralen Striatum, um einen tieferen Einblick in die Vorgänge während dieser Frequenzverschiebung zu erhalten, und entdeckten, dass die Aktivität in zwei Gruppen von Neuronen mit den Oszillationen koordiniert ist. Sie beobachteten, dass Ausgangsneuronen, die die Kommunikation des ventralen Striatums mit dem Rest des Gehirns steuern, während der Peaks sowohl der Gamma- als auch der Beta-Oszillationen mit einem anderen Typ spitzten, der die Ausgangsneuronen hemmte und an den Tälern der Oszillationen spitzte.
Howe sagte: "Wenn Sie einen starken Rhythmus haben, oszillieren diese beiden Populationen von Neuronen in entgegengesetzte Richtungen."
Dieser Befund weist darauf hin, dass während des Lernprozesses der Ratten ein neues Verhalten die hochfrequente Aktivität in den Ausgangsneuronen des ventralen Striatums Nachrichten an den Rest des Gehirns weiterleitet, die ihn leiten, um ein neues Verhalten zu lernen, das durch die Schokolade verstärkt wurde Belohnung. Sobald das Verhalten gelernt und zur Gewohnheit gemacht wurde, werden diese Nachrichten nicht mehr benötigt. Sie werden während der Beta-Oszillationen von inhibitorischen Neuronen abgeschaltet.
Graybiel erklärte:"Wie die Ratten lernten, verschwindet dieses Verstärkungssignal, weil du es wirklich nicht brauchst. Das hilft dem Gehirn, denn wenn diese Gewohnheit erst einmal gebildet ist, was du tun willst, befreie das Gehirn, damit du etwas anderes tun kannst - eine neue Gewohnheit bilden oder einen großen Gedanken denken. "
Die Forscher, darunter Howe, Graybiel und andere Labormitglieder Hisham Attalah, Dan Gibson und Andrew McCool, planen weitere Untersuchungen, ob die Habitusbildung unterbrochen wird, wenn sie die Hirnrhythmen im ventralen Striatum verändern und die spezifisch beteiligten Neuronen identifizieren . Die Identifizierung und Kontrolle solcher Neuronen könnte neue Ansätze zur Bekämpfung der Abhängigkeit, einer extremen Form des gewohnheitsmäßigen Verhaltens, hervorbringen.
Geschrieben von Petra Rattue
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