Das neurale Implantat überwacht mehrere Gehirnbereiche gleichzeitig

Wie kommunizieren verschiedene Teile des Gehirns während des Lernens und der Gedächtnisbildung miteinander? Eine neue Studie von Forschern der University of California San Diego unternimmt einen ersten Schritt zur Beantwortung dieser grundlegenden neurowissenschaftlichen Frage.

Die Studie wurde durch die Entwicklung eines neuralen Implantats ermöglicht, das die Aktivität verschiedener Teile des Gehirns gleichzeitig überwacht, von der Oberfläche bis zu tiefen Strukturen – eine Premiere auf diesem Gebiet. Mit dieser neuen Technologie zeigen die Forscher, dass zwischen zwei Gehirnregionen, von denen bekannt ist, dass sie eine Rolle beim Lernen und bei der Gedächtnisbildung spielen – dem Hippocampus und der Großhirnrinde – unterschiedliche Muster der wechselseitigen Kommunikation auftreten. Die Forscher zeigen auch, dass diese unterschiedlichen Kommunikationsmuster mit Ereignissen verbunden sind, die als scharfe Wellenwellen bezeichnet werden und im Hippocampus während Schlaf und Ruhe auftreten.

„Unser neurales Implantat ist vielseitig; Es kann auf jeden Bereich des Gehirns angewendet werden und kann die Untersuchung anderer kortikaler und subkortikaler Gehirnregionen ermöglichen, nicht nur des Hippocampus und der Großhirnrinde“, sagte Professor Duygu Kuzum.

Das neurale Implantat besteht aus einem dünnen, transparenten, flexiblen Polymerstreifen, der mit einer Reihe von mikrometergroßen Goldelektroden hergestellt ist, auf denen Platin-Nanopartikel abgeschieden wurden. Jede Elektrode ist über einen mikrometerdünnen Draht mit einer individuell bedruckten Leiterplatte verbunden. Es kann elektrische Signale von einzelnen Neuronen tief im Inneren des Gehirns, wie im Hippocampus, aufzeichnen und gleichzeitig große Bereiche wie die Großhirnrinde abbilden.

Mehrere Designmerkmale ermöglichen die Überwachung mehrerer Regionen. Einer ist, dass diese Sonde flexibel ist. Wenn es tief in das Gehirn eingeführt wird, um eine Region wie den Hippocampus zu überwachen, kann der Teil, der aus dem Gehirn herausragt, nach unten gebogen werden, um Platz für ein Mikroskop zu schaffen, das nahe an der Oberfläche abgesenkt werden kann, um eine Abbildung der Großhirnrinde am zu machen gleiche Zeit. Herkömmliche neurale Sonden sind starr und stören daher das Mikroskop; Daher können sie nicht zur Überwachung tiefer Gehirnstrukturen verwendet werden, während die Gehirnoberfläche abgebildet wird. Und obwohl diese neurale Sonde weich und flexibel ist, ist sie so konstruiert, dass sie einem Knicken unter Druck beim Einführen standhält. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist, dass die Sonde transparent ist, sodass das Mikroskop ein klares Sichtfeld hat. Es erzeugt auch keine Schatten oder zusätzliches Rauschen während der Bildgebung.

Die Motivation für diese Studie bestand darin, herauszufinden, wie verschiedene kognitive Prozesse wie Lernen und Gedächtnisbildung im Gehirn ablaufen. Solche Prozesse umfassen die Kommunikation zwischen dem Hippocampus und der Großhirnrinde. Aber wie genau geschieht diese Kommunikation? Und welche Hirnregion initiiert diese Kommunikation:der Hippocampus oder die Großhirnrinde? Diese Art von Fragen blieben unbeantwortet, da es sehr schwierig ist, diese beiden Gehirnregionen gleichzeitig zu untersuchen, sagte Kuzum.

Die Forscher verwendeten ihre Sonde, um die Aktivität des Hippocampus und der Großhirnrinde in transgenen Mäusen zu überwachen. Insbesondere überwachten sie die Aktivität vor, während und nach dem Auftreten von Schwingungen, die als scharfe Wellen im Hippocampus bezeichnet werden. Ihre Experimente zeigten, dass die Kommunikation zwischen Hippocampus und Großhirnrinde zweiseitig ist:Manchmal initiiert die Großhirnrinde die Kommunikation, manchmal ist es der Hippocampus. Dies ist ein wichtiger erster Hinweis für das Verständnis der interregionalen Kommunikation im Gehirn, sagten die Forscher.

„Die zweiseitige Kommunikation, über die wir hier berichtet haben, unterscheidet sich von der herkömmlichen Vorstellung, dass der Kortex die Informationen passiv vom Hippocampus erhält. Stattdessen ist der Kortex aktiv an der Codierung von Informationen im Gehirn beteiligt und kann eine lehrreiche Rolle bei der Gedächtniskonsolidierung und dem Abruf spielen“, sagte Dr. Chi Ren, einer der Forscher.