Forskere undersøger kilden til et pulserende signal i den sovende hjerne
Hjernens "langsomme bølger" er rytmiske signalimpulser, der fejer gennem hjernen under dyb søvn, og antages at spille en rolle i processer som konsolidering af hukommelse.
En ny undersøgelse - baseret på optisk sondering af intakte hjerner fra levende mus under anæstesi - hjælper forskere med at forstå det underliggende kredsløb med langsomme bølger. For eksempel lærte forskerne, at langsomme bølger starter i hjernebarken, den del af hjernen, der er ansvarlig for kognitive funktioner. De fandt også, at en sådan bølge kan sættes i gang af en lille klynge af neuroner.
Forsker, professor Arthur Konnerth, fra Technische Universitaet Muenchen, sagde:
Hjernen er en rytmemaskine, der producerer alle slags rytmer hele tiden. Dette er ure, der hjælper med at holde mange dele af hjernen på den samme side. En sådan tidtager producerer de såkaldte langsomme bølger af dyb søvn, som menes at være involveret i at transmittere fragmenter af en dags oplevelse og lære ind i varig hukommelse. De kan observeres i meget tidlige stadier af udviklingen, og de kan forstyrres i sygdomme som Alzheimers.
En kort lyspuls leveret til en lokal klynge af neuroner gennem en optisk fiber kan inducere en bølge af neuronal aktivitet, der spreder sig over hele cortex. Illustreret her ved hjælp af en computermodel af musehjernen, udføres det egentlige eksperiment på den intakte hjerne af en levende mus under anæstesi. Billedkredit: Prof. Albrecht Stroh / Copyright University of Mainz
Konnerths München-baserede team - i samarbejde med forskere ved Stanford og University of Mainz - brugte lys til både at stimulere langsomme bølger og observere dem i en hidtil uset detalje. Et nøgleresultat bekræftede, at de langsomme bølger kun har oprindelse i cortex, hvilket udelukker andre langvarige hypoteser.
Professor Konnerth sagde:
Den anden største konstatering var, at det ud af milliarder af celler i hjernen tager ikke mere end en lokal klynge på 50 til hundrede neuroner i et dybt lag af cortex, kaldet lag 5, for at lave en bølge, der strækker sig over hele hjernen.
Forskerteamet brugte en teknik, der kaldes 'optogenetik', hvor forskere indsætter lysfølsomme kanaler i specifikke slags neuroner for at gøre dem lydhøre over for lysstimulering. Dette muliggjorde selektiv og rumligt defineret stimulering af et lille antal kortikale og thalamiske neuroner.
En ny teknik kaldet optogenetik gør det muligt for forskere at indsætte lysfølsomme kanaler i specifikke typer neuroner, der er vist grøn i denne mikrograf. Andre neuroner er vist i rødt. Gennem en optisk fiber (til højre) kan forskere bruge lys både til at stimulere disse celler og til at registrere deres respons. Billedkredit: Prof. Albrecht Stroh, professor Arthur Konnerth / Copyright TU Muenchen
Adgang til hjernen via optiske fibre tilladt både mikroskopisk registrering og direkte stimulering af neuroner. Lysglimt nær musens øjne blev også brugt til at stimulere neuroner i den visuelle cortex. Forskerne registrerede fluxen af calciumioner - det er et kemisk signal, der kan tjene som en mere rumligt præcis aflæsning af den elektriske aktivitet, som således var i stand til at synliggøre de langsomme bølger. De var også i stand til at se individuelle bølgefronter spredt - som krusninger fra en klippe kastet i en stille sø - først gennem cortex og derefter gennem andre hjernestrukturer.
Forskerne sagde, at en overraskende enkel kommunikationsprotokol kan ses i den langsomme bølgerytme. I løbet af hver sekundcyklus sænker en enkelt neuronklynge sit signal, og alle andre tystes, som om de skiftes rundt ved at bade hjernen i fragmenter af erfaring eller læring, hukommelsesblokke.
Nederste linje: En undersøgelse fra 2013 fra et internationalt team af forskere - baseret på optisk sondering af intakte hjerner fra levende mus under anæstesi - hjælper forskere med at forstå det underliggende kredsløb med langsomme bølger.
Læs mere fra EurekAlert