Neuer mathematischer Ansatz zur Analyse gleichzeitig übertragener neuronaler Codes
Der neuronale Code beschreibt, wie das Gehirn äußere Reize in Aktivitätsmuster von Neuronenpopulationen umsetzt, d. h. ein kollektives Muster von Signalen, das die Beziehung zwischen neuronaler Reaktion und Stimulus bestimmt. Bei der neuronalen Codierung liegt der Schwerpunkt auf dem Stimulus und der dadurch ausgelösten neuronalen Antwort. Bei der neuronalen Decodierung hingegen wird die umgekehrte Richtung untersucht. Informationen werden im Gehirn durch die elektrische Aktivität repräsentiert, die durch Aktionspotenziale zwischen den Nervenzellen (neuronales Feuern oder „Spike-Feuern“) gesteuert wird. Der temporale Code beschreibt die zeitlich genau eingegrenzten temporalen Muster neuronaler Aktivität. Er enthält die meisten Informationen über externe Reize. Forscher des Projekts ETIC entwickelten nun neue computergestützte und optische Methoden, um die von Nervenzellen gesendeten Spike-Muster mit viel höherer Genauigkeit und zeitlicher Präzision zu messen. Hierzu wurden komplexe Scanning-Algorithmen und neueste mikroskopische Verfahren kombiniert. Enthüllen des neuronalen Codes mit neuen computergestützten Ansätzen „Langfristig wollen wir herausfinden, wie Schaltkreise im Gehirn Informationen über die Außenwelt kodieren und das Verhalten daraufhin abstimmen“, sagt Dr. Stefano Panzeri, Projektkoordinator von ETIC und Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat, der mit Dr. Fellin zusammenarbeitet, dem stellvertretenden Hauptforscher des Projekts. Das Projekt entwickelte neue optische Technologien, um die Aktivität von vielen Neuronen darzustellen. Gegenüber früheren Technologien ist die ETIC-Technologie zeitlich präziser und zeichnet sich durch ein günstigeres Signal-Rausch-Verhältnis (SRV)aus. Durch das Design eines neuen Algorithmus können Forscher nun Neuronen effizienter scannen und deren Aktivität hinsichtlich des SRV genauer darstellen. „In realen Experimenten mit zwei Photonenmikroskopen am lebenden gesunden Gehirn demonstrierten wir auch, dass die praktische Implementierung unseres Algorithmus das SRV beim Populations-Imaging gegenüber herkömmlichen, kommerziellen hochtechnischen Scan-Verfahren deutlich verbessert“, fügt Dr. Panzeri hinzu. Künftige therapeutische Anwendungen bei neuronalen Erkrankungen Im nächsten Schritt wird das Projekt dieses neue Instrument systematisch einsetzen, um das Gehirn in vivo beim Lösen kognitiver Aufgaben zu beobachten und die neuen Daten mit einer höheren zeitlichen Auflösung und einem größeren SRV für mehrere Zellpopulationen zu verwenden. „Sobald wir den Code enthüllt haben, mit dem Neuronen sensorische Informationen kodieren, wollen wir untersuchen, wie neuronale Aktivität mittels Optogenetik manipuliert werden kann, um neuronale Muster zu erzeugen, die unterschiedlichen Wahrnehmungen entsprechen, etwa verschiedenen Geräuschen, Gerüchen oder taktilen Empfindungen“, erklärt Dr. Panzeri. Die Optogenetik ist eine spezielle Technik, die die elektrische Aktivität von Zellen in lebenden Geweben mittels Licht steuert und die Kontrolle von Spikes in einzelnen Neuronen ermöglicht. Insbesondere induziert die Optogenetik sehr genaue Muster von Spikes im Gehirn. Künftig könnte diese Technologie eingesetzt werden, um den neuronalen Code zu verändern und künstlich Empfindungen zu erzeugen. Damit könnte Patienten geholfen werden, die periphere Sinnesorgane nicht mehr richtig steuern können, deren Großhirnrinde aber noch soweit arbeitet, dass sie sensorische Inputs verarbeiten kann. Voraussetzung für den Einsatz optogenetischer Methoden zum Auslösen von Empfindungen ist ein neuer theoretischer Rahmen, der sowohl Informationen in neuronalen Aktivitätsmustern kodiert als auch die Art und Weise, wie das Gehirn sie interpretiert, um eine Empfindung auszulösen. „Wir arbeiten derzeit an der Entwicklung einer solchen mathematischen Technologie und untersuchen, wie sie sich für die Produktentwicklung im kommerziellen Umfeld einsetzen lässt“, schließt Dr. Panzeri.
Schlüsselbegriffe
ETIC, neuronaler Code, SNR, Optogenetik, neuronale Aktivität