Dies ist, wie das Gehirn unwichtige Details herausfiltert

hashi Foto (Wikimedia Commons)

Gastbeitrag von Daniel Hass

In jedem Moment werden wir ständig von Signalen von mindestens vier der fünf Sinne bombardiert.

Das visuelle System verarbeitet ständig unsere Umgebung. Das Hörsystem wird durch all die vielen winzigen Geräusche stimuliert, die unsere Umwelt ausmachen. Wir nehmen zu jedem Zeitpunkt alle Gerüche um uns herum auf und wir fühlen ständig die Kleidung auf unserer Haut. Sogar innerhalb eines sensorischen Systems gibt es eine enorme Menge an Daten, die verarbeitet werden.

Wie schaffen wir es, mit diesem Ansturm von Input nicht völlig verrückt zu werden? Der Schlüssel ist, dass wir nur auf einen kleinen Teil dieser Informationen achten und viel davon wegwerfen. Dieser Prozess ist bekannt als selektive Filterung oder selektive Aufmerksamkeit, und die meisten Leute tun es die ganze Zeit. Stellen Sie sich vor, Sie sehen einen Film in einem Theater. Wenn du dich auf den Film konzentrierst, wirst du wahrscheinlich nicht das Geräusch von quietschenden Sitzen, knusprigem Popcorn oder sogar der Klimaanlage hören, die durch die Belüftungsöffnungen sirrt.

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Obwohl bei jeder Empfindung mehrere Regionen des Gehirns beteiligt sind, ist der Teil des Gehirns, der an der selektiven Filterung beteiligt ist, der Ort, an dem sich alle diese Sinne kreuzen.

Der Thalamus (rot).

Biowissenschaftsdatenbank (Wikimedia Commons)

Dieser Bereich des Gehirns ist als Thalamus bekannt . Klassischerweise wird der Thalamus als eine Art Relais angesehen, in dem sich sensorische Neuronen treffen und zu ihrem Ziel in der Großhirnrinde geschickt werden. Es wird auch angenommen, dass der Thalamus an Bewusstsein beteiligt ist; Patienten, die beispielsweise einen Schlaganfall oder andere Schäden erleiden, die den Thalamus betreffen, fallen in permanentes Koma. Diese Funktionen erklären jedoch nicht vollständig, warum neben Verbindungen vom Thalamus zur Großhirnrinde auch Verbindungen vom Kortex zum Thalamus bestehen.

Diese "reziproke" Konnektivität kann durch selektive Filterung erklärt werden. Wenn der Kortex eine Art von Information erhält, die er für vorrangig hält (wie zB die Fokussierung auf den Film), sendet er ein Signal zurück an einen Teil des Thalamus, der als der retikuläre Kern bekannt ist. Die Struktur nutzt den Neurotransmitter GABA, um die Übertragung anderer "irrelevanter" Signale vom Thalamus zum Cortex (quietschende Sitze, Popcorn und Klimaanlage) zu verhindern.

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Selektive Filterung ist interessant. Aber warum ist es wichtig?

Ben Beste

Die Forschung im Bereich der selektiven Filterung ist nicht nur deshalb so wichtig, weil sie uns über normale biologische Prozesse in unserem Gehirn berichtet, sondern auch, weil sie bestimmte Individuen beeinflussen können, z. B. solche mit Schizophrenie. Schizophrenie ist eine Erkrankung des Gehirns mit einer Vielzahl von Symptomen, zu denen Wahnvorstellungen, Halluzinationen und desorganisiertes Verhalten gehören. Menschen mit Schizophrenie haben ebenfalls Defizite in der auditorischen selektiven Filterung und allgemeinen Aufmerksamkeit. Die biologische Grundlage für viele dieser Symptome bleibt jedoch unbekannt.

Eine aktuelle Studie in Nature Neuroscience von Ahrens untersuchte, wie das selektive Filtersystem funktioniert, indem eine Maus verwendet wird, die im Schizophrenie-Risikofaktor-Gen ERBB4 fehlt. Dieses Gen produziert einen Wachstumsfaktorrezeptor und wird hoch im retikulären Kern exprimiert, dem Bereich des Thalamus, der für die selektive Filterung verantwortlich ist.

Um zu bestimmen, wie ERBB4-Mangel die selektive Filterung verändert, verwendeten Ahrens und Kollegen zwei verschiedene experimentelle Paradigmen, um selektive Filterung in Mäusen zu testen. Im ersten Paradigma wurden Mäuse belohnt, wenn sie aus einer Reihe von ablenkenden Tönen zwischen 5 und 20 kHz einen 8- oder 20-kHz-Ton auswählen konnten. Dabei wurde getestet, ob Mäuse in der Lage waren, "Rauschen" innerhalb einer sensorischen Modalität herauszufiltern.

Eine typische Konditionierungsbox für die Tierforschung.

Andreas1 (Wikimedia Commons)

Im zweiten Paradigma wurden Mäuse sowohl Tönen als auch LED-Lichtern ausgesetzt, und nur Mäuse, die auf Lichter in bestimmten Positionen auf einem Array von LEDs reagierten, wurden belohnt. Diese Aufgabe bestimmt, ob Mäuse Distraktoren von verschiedenen Sinnen herausfiltern können.

ERBB4-defiziente Mäuse waren eher in einer Richtung zu filtern und zeigten bessere Ergebnisse als Wildtyp-Mäuse bei der ersten experimentellen Aufgabe. Sie zeigten jedoch Schwierigkeiten beim Umschalten zwischen verschiedenen Sinnen und schlechter bei der zweiten Aufgabe.

Diese Studie zeigte, dass die Forscher durch Veränderung der Expression eines Gens, das bei Schizophrenie verändert ist, die Fähigkeit von Mäusen, selektiv an Sinnesreizen zu kommen, verändert haben. Dies liegt daran, dass ERBB4 normalerweise den Einfluss des Kortex über den retikulären Kern verringert. Ohne ERBB4 ist die kortikale Rückkopplung zum retikulären thalamischen Kern stärker und somit gibt es eine größere Unterdrückung irrelevanter Daten sowohl innerhalb einer sensorischen Modalität (demonstriert durch bessere selektive Aufmerksamkeit für einen Sinn) als auch zwischen sensorischen Modalitäten (gezeigt durch beeinträchtigten Wechsel zwischen visuell und auditiv) Aufgaben, denkt das Gehirn, dass die auditive Aufgabe nur mehr "Lärm" ist.

Obwohl diese Symptome die Schizophrenie nicht perfekt imitieren, helfen sie uns, die Schaltkreise zu verstehen, die der normalen Gehirnfunktion zugrunde liegen. Während dies nur ein Teil eines größeren Puzzles ist, ist es auch notwendig, wenn wir bestimmte Störungen im Zusammenhang mit veränderten Mustern im Gehirn verstehen wollen.

Daniel Hass ist ein Neurowissenschaftler am Penn State College of Medicine.

Verweise

Ahrenset al. (2015) ErbB4-Regulation eines Thalamus-Netzknochenkreises für die sensorische Selektion Nat. Neurosci., 18: 104-111

Luet al. (2010) Unterstützung für die Beteiligung des ERBB4-Gens bei Schizophrenie: eine genetische Assoziationsanalyse, Neurosci. Lett., 481: 120-125

McAlonanet al. (2000) Thalamic Reticular Nucleus Activation Reflektiert Attentional Gating während Klassische Konditionierung, J. Neurosci, 20 (23): 8897-8901

Nicodemuset al. (2006) Weitere Hinweise auf Assoziation zwischen ErbB4 und Schizophrenie und Einfluss auf kognitive intermediäre Phänotypen bei gesunden Kontrollen, Mol. Psychiatrie, 11: 1062-1065