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Das "ruhende" Gehirn ist vielleicht weniger laut als wir denken
Neurowissenschaftler, die genaue Muster der elektrischen Aktivität direkt aus dem menschlichen Gehirn messen, fanden Netzwerke, die verschiedene entfernte Regionen umfassen, die während des Erinnerungsabrufs zusammenwirken, in Ruhe- und Schlafzuständen in gleicher Weise aktiv sind.
Unsere Gehirne verbrauchen 20% unserer Energie, obwohl sie nur 2% unseres Körpergewichts ausmachen.
Im Tagebuch schreiben Natur, sagen die Forscher von der medizinischen Fakultät der Stanford University, dass ihre Ergebnisse indirekte Beobachtungen aus bildgebenden Studien des Gehirns unterstützen.
Sie sagen, dass ihre Ergebnisse auch erklären könnten, warum das Gehirn so viel von der Energie des Körpers in Perioden verwendet, in denen es "nichts zu tun" scheint, da ein Automotor im Leerlauf Benzin verbraucht.
Unsere Gehirne sind gierige Organe; Sie verbrauchen 20% unserer Energie, obwohl sie nur 2% unseres Körpergewichts ausmachen.
Ebenso überraschend ist, dass unsere Gehirne - in Form von Glukose - in ruhender oder schlafender Form genauso viel Kraftstoff verbrennen wie bei geistiger oder körperlicher Aktivität.
Etwas anderes, das Wissenschaftler verwirrt, ist, dass das Gehirn, wenn es sich im Ruhezustand befindet, sehr beschäftigt zu sein scheint, insbesondere nichts zu tun - im Wesentlichen viel nutzloses elektrisches "Rauschen" erzeugend.
In der Tat, dieser elektrische Lärm ist die ganze Zeit im Gange, wie der leitende Autor Josef Parvizi, Professor für Neurologie und Neurowissenschaften, erklärt:
"Erhöhungen der Gehirnaktivität während bewusster Gedanken und Handlungen stellen nur die Spitze des Eisbergs dar. Der enorme Energieverbrauch unseres Gehirns beruht auf seiner spontanen Aktivität zu allen Zeiten, wenn wir nicht bewusst an einer bestimmten Aufgabe beteiligt sind."
In den letzten 10 Jahren haben Wissenschaftler mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT), um den Blutfluss im Gehirn zu verfolgen - ein indirekter Weg, um die Gehirnaktivität zu beurteilen - begonnen, spezifische Muster in diesem neuronalen Lärm zu bemerken.
Mit fMRT haben sie die Gehirnaktivität beobachtet, da die Probanden verschiedene Aufgaben erfüllten - von der Lösung mathematischer Probleme bis hin zum Rückgriff auf das, was sie zum Frühstück hatten - und merkten, dass verschiedene Arten von Aufgaben mit spezifischen Mustern der Gehirnaktivität verbunden sind.
Die Muster zeigen, dass vernetzte Cluster von unterschiedlichen und unterschiedlichen Gehirnregionen bei bestimmten Arten von Aufgaben zusammenarbeiten, und die Abbildungsprofile dieser Muster können innerhalb des spontanen Rauschens gesehen werden.
Bildgebende Studien haben auch gezeigt, dass einige dieser aufgabenspezifischen Muster in Perioden auftreten, in denen das Gehirn in Ruhe ist - oder sogar völlig bewusstlos ist, beispielsweise wenn die Patienten schlafen oder in Narkose sind.
Wissenschaftler haben jedoch diese Beweise aus Bildgebungsuntersuchungen zurückbehalten, weil sie indirekte Beobachtungen der elektrischen Aktivität des Gehirns sind - sie lokalisieren nicht einzelne Schaltkreise von Neuronen.
Eine neue Studie ist ein großer Fortschritt, da sie die elektrische Gehirnaktivität direkt misst
Die neue Studie ist ein großer Fortschritt, da sie direkt die elektrische Aktivität im Gehirn misst und im Gegensatz zur fMRT der Aktivität im Laufe der Zeit folgen kann und nicht nur die Standortmerkmale der Muster, sondern auch ihre zeitliche Veränderung widerspiegelt.
Prof. Parvizi und seine Kollegen fanden orts- und zeitbasierte Muster der elektrischen Gehirnaktivität, die auftreten, wenn die Probanden ein Gedächtnis abrufen, auch wenn sie schlafen oder mit geschlossenen Augen ruhen.
Die von Prof. Parvizi und Kollegen verwendete Technik wird intrakranielle Elektrophysiologie genannt und erlaubt es ihnen, verschiedene Populationen von Neuronen im Gehirn zu belauschen. Es funktioniert in Millimetern und Millisekunden - eine Auflösung, die klein genug ist, um aussagekräftige Ergebnisse von einem einzelnen Gehirn zu erhalten.
Intrakranielle elektrophysiologische Messungen können nur bei invasiven Hirnprozeduren durchgeführt werden. Für diese Studie rekrutierte das Team drei Epilepsiepatienten - zwei Frauen und ein Mann -, die bereits eine Woche im Stanford Hospital verbringen mussten, um aus medizinischen Gründen invasive Gehirnoperationen durchzuführen.
Die Patienten verbrachten mehrere Tage mit implantierten Elektroden in verschiedenen Teilen ihres Gehirns, so dass die Ärzte den genauen Ort finden konnten, von dem die Anfälle kamen. Während dieser Zeit wurden präzise intrakranielle elektrophysiologische Messungen von Schlüsselregionen des Gehirns erhalten, die ein sehr wichtiges Netzwerk bilden - das Standardmodus-Netzwerk.
Standardmodus-Netzwerk, das während des Task-, Ruhe- und Ruhezustands beobachtet wird
Das Standardmodus-Netzwerk ist ein Netzwerk von weit verteilten Teilen des Gehirns und verbraucht mehr Energie als jedes andere Netzwerk. Am aktivsten ist es, wenn wir in Ruhe sind - entweder mit geschlossenen Augen oder einfach nur ins Leere starrend. Es scheint, wenn wir nichts tun.
Das Standardmodus-Netzwerk ist auch aktiv, wenn wir ein autobiographisches Gedächtnis abrufen - zum Beispiel, wenn wir gefragt werden, was wir zum Frühstück hatten.
Das Standardmodus-Netzwerk wird jedoch heruntergefahren, wenn wir dann aufgefordert werden, eine bestimmte Aufgabe auszuführen, z. B. Kopfrechnen.
In früheren Arbeiten haben Prof. Parvizi und seine Kollegen als erstes Team direkte elektrische Aufzeichnungen verwendet, um diese einzigartigen Merkmale des Standardmodus-Netzwerks zu bestätigen.
In dieser neuen Studie war das Team in der Lage, elektrische Aktivitäten im Standard-Netzwerk zu messen, wenn die Probanden wach waren und Aufgaben erfüllten, und auch wenn sie mit geschlossenen Augen und im Schlaf ruhten.
Sie fanden langsame, treibende Aktivitätsmuster, die in dem Lärm verborgen waren, den das Gehirn erzeugte, wenn Schlaf oder Ruhe eine direkte Übereinstimmung mit Mustern darstellten, die erzeugt wurden, wenn die Versuchspersonen gebeten wurden, spezifische Erinnerungen zu finden.
Um zu bestätigen, dass diese Muster die in den Bildgebungsstudien gefundenen Muster widerspiegeln, führte das Team dann fMRT-Scans an den gleichen Probanden durch und stellte fest, dass die elektrischen Aktivitätsmuster eng mit den Blutflussmustern der fMRT-Bilder übereinstimmten.
Warum das Gehirn im Schlaf und in der Ruhe so aktiv ist, ist immer noch ein Rätsel
Die Autoren sagen, dass, während ihre Ergebnisse eine Frage lösen - dass die Bildgebungsstudien richtig waren, indem sie die Muster für Ruhezustand und Gedächtnisabruf nahelegen - eine andere Frage aufwerfen: Warum verbringt unser Gehirn so viel Zeit und Energie in Ruhe und Schlaf? zu dieser Aktivität?
Das Team schlägt vor, dass das Gehirn sich nur für zukünftige Aktionen bereit hält - indem es die Zustände seiner internen Beziehungen und Netzwerke überprüft, so dass es bereit ist zu gehen, wenn wir aufwachen.
Um diesen Punkt zu unterstreichen, müssen wir laut Prof. Parvizi vorsichtig sein, das Gehirn mit Computern zu vergleichen - nur weil wir es als Netzwerkorganisation bezeichnen, heißt das nicht, dass es sich um ein Netzwerk im Sinne von Computern handelt. Er addiert:
"Das Gehirn ist viel mehr als ein Haufen Einsen und Nullen."
Die Mittel für die Studie stammten aus dem Stanford NeuroVentures Program, dem National Institute of Neurological Disorders and Stroke, der National Science Foundation und dem National Institute of Mental Health.
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