Der Schlaf Connectome

Quelle: Von Andreashorn (Eigenes Werk) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], über Wikimedia Commons

Fortschritte in der Neurowissenschaft entstehen oft, wenn neue Methoden zur Analyse und Visualisierung der Anatomie und Funktion des Nervensystems entwickelt werden. Zum Beispiel wurde das aufstrebende Gebiet der Neurowissenschaften durch die Entwicklung und Verwendung von Flecken, die es ermöglichten, einzelne Nervenzellen im Nervensystem sichtbar zu machen, stark vorangetrieben. Dies wiederum ermöglichte es, diese grundlegenden Komponenten neuronaler Netze zu verstehen. Die Untersuchung der kognitiven, motorischen und emotionalen Auswirkungen verschiedener Beleidigungen des Gehirns und des Nervensystems, wie Kopfverletzungen, Erkrankungen wie Multiple Sklerose und Schlaganfälle, wurde durch neuropsychologische Tests vorangetrieben, die zur Identifizierung und Quantifizierung der Symptome beigetragen haben die Auswirkungen dieser Verletzungen. Die Entwicklung des Elektroenzephalogramms (EEG) in den 1920er Jahren half Wissenschaftlern und Ärzten, die elektrische Aktivität der Großhirnrinde besser zu verstehen. Dies führte zu Fortschritten bei der Diagnose von Hirnerkrankungen wie Epilepsie. Seit den 1970er Jahren wurden Anstrengungen unternommen, EEG-Muster zu verwenden, um die Verbindungen neuronaler Zentren im Kortex mit Hilfe einer als quantitative Elektroenzephalographie (QEEG) bezeichneten Methode zu verstehen. Die Entwicklung von CT – Scanning, MRT, funktioneller MRT und anderen bildgebenden Verfahren in den letzten Jahrzehnten hat wesentlich zum wachsenden Verständnis der Funktion des Nervensystems beigetragen, indem es die Visualisierung von Hirnstrukturen in lebenden Organismen ermöglicht und die funktionellen Aktivitäten von diese Zentren. Mit diesen Methoden ist es möglich, Gehirnkarten zu erstellen, die Anatomie und Funktion in Beziehung setzen.

Aus dieser Forschung ist hervorgegangen, dass die Kraft des Gehirns nicht in einzelnen neuralen Zentren liegt, sondern in der synchronisierten Aktivität dieser Zentren. Systeme von Neuronen führen die zugrundeliegenden Aufgaben aus, die dann koordiniert werden und zu Kognition, Emotion und Verhalten führen.

Zu Beginn des letzten Jahrhunderts glaubte man, dass es zu Schlaf kam, wenn die Stimulation durch die Sinne aufhörte, in die Großhirnrinde zu fließen. Diese Ansicht des Schlafes als passiver Prozess schien einen Sinn zu ergeben, da Menschen und Tiere im Allgemeinen in einer Umgebung mit geringer Stimulation sicher und entspannt sein müssen, um leicht in den Schlaf zu schlüpfen. Forschungen, die in den 1940er Jahren begannen, stellten dieses Modell zunehmend in Frage. Es ist jetzt anerkannt, dass Schlaf tatsächlich ein komplexer Prozess ist und viele neurale Systeme benötigt, um ihn herbeizuführen. Es ist nicht passiv, aber in der Tat ein sehr aktiver und komplexer Prozess. Dass es so komplex ist und so fein reguliert werden muss bedeutet, dass damit viel schief gehen kann, was zu den verschiedenen Schlafstörungen führt.

Im täglichen Leben gibt es drei regelmäßig auftretende Zustände der geistigen Verarbeitung. Dies sind Wach-, Tiefschlaf- und REM-Schlaf. Der Beginn des Schlafes beruht auf dem Aufbau von Schlafstörungen im Laufe des Tages und den regulierenden Auswirkungen des zirkadianen Rhythmus. Die Veränderung zwischen Tiefschlaf und REM-Schlaf wird durch komplexe Gehirnsysteme reguliert, die das richtige Gleichgewicht zwischen ihnen herstellen und zu einer effektiven Wiederherstellung des Nervensystems und des Körpers führen, so dass der Geist / Körper während des Tages optimal arbeiten kann.

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Innerhalb des Gehirns gibt es Wege, die die Interaktion und Koordination von neuronalen Systemen in den vorderen und hinteren Teilen des Gehirns, der linken und der rechten Hemisphäre und den höheren und niedrigeren Zentren ermöglichen. Mit der Erkenntnis der Wichtigkeit dieser Interaktion wurden zunehmende Anstrengungen unternommen, um die funktionellen und strukturellen Komponenten des Gehirns zu verfolgen. Die Kraft des Nervensystems liegt in der komplexen Koordination der Aktivitäten einer großen Anzahl einzelner Neuronen. Diese Idee wurde im Sonderteil der Zeitschrift Science mit dem Titel "The Heavyly Connected Brain" vom November 2013 ausführlich behandelt (siehe Markov et al., 2013; Park & ​​Friston, 2013; Stern, 2013; Turk-browne, 2013). . Es ist nun möglich, die Konnektivität zwischen Neuronen zu verfolgen und neue analytische Techniken wie die Netzwerktheorie zu verwenden, um die zugrunde liegenden Mechanismen von Struktur und Funktion in großen neuronalen Netzen zu verstehen. Diese Methoden helfen zu verstehen, wie es möglich ist, dass eine feste Struktur wie das Gehirn so viel funktionale Vielfalt entstehen lässt. Während das Gehirn eine feste Struktur ist, kann es in verschiedenen Zuständen wie Wachheit und Träumen sein. Dies liegt an den unterschiedlichen und komplexen Wegen, auf denen die zugrundeliegenden Nervenbahnen interagieren.

Connectomics basiert auf den jüngsten Fortschritten bei der Abbildung und Analyse neuronaler Netzwerke. Es wird oft mit Entwicklungen in der Genomik verglichen. Ein Connectogram ist eine grafische Visualisierung der Verbindungen zwischen Hirnarealen, die mittels Diffusions-MRT aufgedeckt und graphentheoretisch analysiert werden. Es wird typischerweise als ein Kreis mit Verbindungen zwischen repräsentativen Bereichen auf dem Kreis dargestellt, die Gehirnstrukturen bezeichnen. Möglicherweise haben Sie diese kreisförmigen Diagramme in Artikeln gesehen, die die Stärke der Beziehungen zwischen verschiedenen Gehirnregionen zeigen. Ein aktuelles Beispiel war die weit verbreitete Entdeckung einer Studie über die Auswirkungen des psychedelischen Medikaments Psilocybin auf die Gehirnfunktion (Petri et al, 2014). Kurz gesagt, die Studie fand heraus, dass Psilocybin eine erhöhte und unterschiedliche Integration bestimmter Hirnareale im Vergleich zum nicht-medikamentierten Zustand verursacht. Dies trägt dazu bei, die tiefgründigen mentalen Zustände zu erklären, von denen diese Droge berichtet wird.

Ein Connectome ist eine Karte neuronaler Verbindungen im Gehirn und zeigt Verbindungen, die auf eine Repräsentation des Gehirns abgebildet sind. Ein Beispiel ist das Bild oben in diesem Beitrag. Eine solche Visualisierung wird mit einem Diffusionstensorbild erzeugt, bei dem funktionelle Magnetresonanztomographie verwendet wird, um Axontrakte zu identifizieren, indem die Diffusion von Wassermolekülen in diesen Bahnen untersucht wird (Purves et al, 2012). Eine der Herausforderungen bei der Verwendung dieser Karten besteht darin, dass sie sich ständig ändern, abhängig vom Zustand und den Erfahrungen des Organismus. Das Connectom einer schlafenden Person im Tiefschlaf unterscheidet sich von dem eines aufmerksamen, fokussierten, wachen Individuums, da die zugrunde liegenden neuralen Systeme basierend auf diesen verschiedenen Zuständen auf unterschiedliche Weise interagieren. Connectomes wurden verwendet, um die Unterschiede zwischen männlichen und weiblichen Gehirnen, positive und negative menschliche Merkmale zu untersuchen, und werden derzeit in einer großen Forschungsarbeit untersucht, die als Human Connecome Project bekannt ist und von den National Institutes of Health unterstützt wird.

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Jüngste Arbeiten haben begonnen, den Schlaf-Connectome (Vyazovskly, 2015) zu kartieren, wobei er zunächst den Schlaf bei Tieren betrachtet. Dies trägt dazu bei, die komplexen Mechanismen, die die sanften Übergänge vom Wach- zum Tiefschlaf bis zum REM-Schlaf ermöglichen, weiter aufzuklären. Es trägt auch dazu bei, das Verständnis dafür zu verbessern, wie sich der Schlaf früh im Leben von Tieren entwickelt, beginnend vor der Geburt. Zum Beispiel wurde eine spezifische Population von Neuronen im Hinterhirn gefunden, die sich zu den Subpopulationen von Zellen entwickelt, die letztendlich zu den Wach / Schlaf-Schaltkreisen beitragen (Hayashi, et al, 2015). Dies geschieht sehr früh in der Entwicklung, bevor die Zustände von Nachtruhe und Schlaf sogar aufgetaucht sind.

Das Human Connectome Project, wie das Human Genome Project davor, verspricht ein wesentlich besseres Verständnis der Struktur und Funktion des Gehirns. Ich bin besonders begeistert von der Möglichkeit, dass es uns hilft, besser zu verstehen, auf welche Weise das Gehirn Bewusstseinszustände wie Wachheit und Schlaf hervorbringt und reguliert. Ein solches Verständnis kann bei der Entwicklung effektiverer Behandlungen von Schlafstörungen helfen – etwas, das viele unserer schlaftrunkenen Freunde schätzen werden!

Hayashi, Y., Kashiwagi, M., Yasuda, K., Ando, ​​R., Kanuka, M., Sakai, K. & Itohara, S. (2015). Zellen eines gemeinsamen Entwicklungsursprungs regulieren den REM / Nicht-REM-Schlaf und Wachzustand bei Mäusen. Science , 20. November 2015, 350 (6263), 957 – 961.

Markov, NT, Ercsey-Ravasz, M., Van Essen, DC, Knoblauch, K. Toroczkal, Z., und Kennedy, H. (2013). Kortikale High-Density-Counterstream-Architekturen. Wissenschaft , 1. November 2013, 342 (6158), p. 578.

Park, HJ, & Friston, K. (2013). Strukturelle und funktionelle Netzwerke im Gehirn: Von Verbindungen zur Kognition. Wissenschaft , 1. November 2013, 342 (6158), p. 579.

Petri G, Experte P, Turkheimer F, Carhart-Harris R, Nutt D, Hellyer PJ, Vaccarino F. (2014). Homologische Gerüste funktioneller Netzwerke des Gehirns. JR Soc. Schnittstelle 11 : 20140873. Http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2014.0873

Purves, D., Augustine, GJ, Fitzpatrick, D., Halle, WC, LaMantia, AS, Weiß, LE (Eds.). (2012). Neurowissenschaftliche 5. Ausgabe , Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Stern, P. (2013). Verbindung, Verbindung, Verbindung …. Wissenschaft , 1. November 2013, 342 (6158), p. 577.

Turk-Browne, NB (2013). Funktionelle Interaktionen als Big Data im menschlichen Gehirn. Wissenschaft , 1. November 2013, 342 (6158), p. 580 – 584.

Vyazovskiy, VV (2015). Mapping der Geburt des Schlafes connectome. Science , 20. November 2015, 350 (6263), p. 909 – 910.