Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit ist in zwei Abschnitte gegliedert. Im ersten Abschnitt wird an Hand numerischer Simulationen eines neuronalen Netzwerks der Einfluß biophysikalischer Eigenschaften kortikaler Neurone auf die Verarbeitung sensorischer Reize untersucht. Im zweiten Anschnitt wird ein elektrophysiologisches Experiment am visuellen Kortex wacher Katzen beschrieben. Im Zentrum dieses Experiments steht die quantitative Charakterisierung oszillatorischer Synchronisation der Aktivität kortikaler Neurone in einem wachen, sich natürlich verhaltenden kognitiven System.

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Die Wahrnehmung der Umwelt ist kein vollständig durch sensorische Reize determinierter unidirektionaler Prozeß, sondern wird stark durch von diesen Reizen unabhängige Zustände des Gehirns beeinflußt. So spielen etwa Aufmerksamkeitsprozesse, Erwartungen oder vergangene Erfahrungen eine zentrale Rolle bei der Verarbeitung sensorischer Information. Den Fortschritten in unserem Verständnis „bottom-up“ gerichteter, also von externen Reizen abhängiger, Informationsverarbeitung steht ein vergleichsweise schlechtes Verständnis der neuronalen Grundlagen „top-down“ gerichteter Verarbeitungsprozesse gegenüber. Welche neuronalen Mechanismen liegen der Integration von bottom-up und top-down gerichteter Verarbeitung sensorischer Information zu Grunde? Welche Rolle spielen hierbei biophysikalische Eigenschaften kortikaler Neurone?

Um diese Fragen zu untersuchen wurde im ersten Teil dieser Arbeit ein neuronales Netzwerk zweier vereinfachter kortikaler Areale numerisch simuliert. Dieses Netzwerk berücksichtigt hierbei jüngste zellphysiologische Befunde, welche die stark asymmetrischen funktionellen Eigenschaften kortikaler Neurone unterstreichen. So wurde demonstriert, daß Soma und apikaler Dendrit kortikaler Pyramidenzellen in nichtlinearer, multiplikativer Form interagieren. Diese Befunde werden in dem simulierten Netzwerk mit der bekannten laminären Asymmetrie interarealer Projektionen zusammengeführt. An Hand numerischer Simulationen wurde das Verhalten des Netzwerks unter Einfluß verschiedener sensorischer Stimuli und top-down Signale analysiert. Durch das verwendete neuronale Modell kann die Aktivität des Netzwerks mit einer hohen zeitlichen Auflösung studiert werden. Das simulierte Netzwerk repliziert zentrale neurophysiologische Befunde: 1) Top-down Signale erhöhen die Feuerraten der Neurone in dem hierarchisch hohen wie auch tiefen simulierten kortikalen Areal. In dem rezeptorfernen hohen Areal zeigt sich ein stärkerer Einfluß von top-down Signalen als in dem hierarchisch tieferen Areal 2) Werden simultan mehrere konkurrierende sensorische Reize präsentiert, so wird die Verarbeitung dieser Stimuli durch selektive top-down Signale entlang der kortikalen Hierarchie zu Gunsten des so faszilitierten Reizes moduliert. 3) Im Vergleich zu einer rein unidirektionalen Netzwerkarchitektur demonstriert das reziprok konnektierte Netzwerk eine „kooperative Verarbeitung“ sensorischer Information, bei der es zu einem bidirektionalen Informationsfluß zwischen Arealen unterschiedlicher hierarchischer Ebenen kommt. Diese kooperative Verarbeitung führt gemeinsam mit der implementierten nichtlinearen somato-dendritischen Interaktion zu neuronalen Salvenentladungen, die ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen.

Das simulierte Netzwerk demonstriert, welche zentrale Rolle die komplexen nichtlinearen Eigenschaften kortikaler Neurone bei der Integration bottom-up und top-down gerichteter Verarbeitung sensorischer Information spielen. Das beschriebene Netzwerkmodell wird hierbei durch zahlreiche experimentelle Evidenzen gestützt.

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Die oszillatorische Synchronisation kortikaler Neurone steht im Mittelpunkt der im zweiten Abschnitt vorgestellten experimentellen elektrophysiologischen Studie. Das große neurowissenschaftliche Interesse an der zeitlichen Struktur neuronaler Aktivität liegt insbesondere in der kontrovers diskutierten Hypothese eines „Synchronisationscodes“ begründet. Hiernach wird Information nicht nur durch die Feuerraten kortikaler Neurone, sondern auch durch die Synchronisation der Aktionspotentiale einer Neuronenpopulation codiert. Im Kontext dieser Hypothese wurde insbesondere die hochfrequente neuronale Synchronisation im Gamma-Frequenzbereich (>30 Hz) in verschiedenen Spezies und experimentellen Paradigmen untersucht. Ein Großteil dieser Studien wurde jedoch an anästhesierten Versuchtieren durchgeführt, was die Übertragbarkeit der Befunde auf wache Gehirne stark einschränkt. Zudem zeigt sich eine hohe Variabilität der untersuchten Frequenzbänder, so daß die Subsummierung der beschriebenen Synchronisationsphänomene unter den plakativen Begriff „Gamma-Synchronisation“ zweifelhaft erscheint. Finden sich die in anästhesierten Versuchstieren beschriebenen Synchronisationsphänomene auch in wachen, sich unter möglichst natürlichen Bedingungen verhaltenden Tieren wieder? Gelingt es, an Hand eines objektiven Kriteriums ein funktionelles Frequenzband dieser Synchronisation kortikaler Aktivität zu definieren?

Um diese Fragen zu beantworten, wurde mittels chronisch intrakortikal implantierter Mikroelektroden die neuronale Aktivität im primären visuellen Kortex wacher sich verhaltender Katzen untersucht. In einem dem natürlichen Verhalten der Tiere angepaßten visuellen Stimulationsparadigma wurden die neuronalen Antworten auf Konturen verschiedener Orientierungen analysiert. Um ein objektives, funktionelles Band neuronaler Synchronisation zu definieren, wurde ein Index entwickelt, welcher quantifiziert, wie gut die frequenzspezifische Synchronisation neuronaler Aktivität Eigenschaften des präsentierten visuellen Stimulus reflektiert. Die Analyse der simultan abgeleiteten lokalen Feld- und Aktionspotentiale ergab folgende Befunde: 1) Die visuelle Stimulation induziert einen breitbandigen hochfrequenten Anstieg neuronaler Synchronisation. Die maximalen relativen Antworten der Synchronisation liegen in Übereinstimmung mit Studien an anästhesierten Versuchstieren in einem Frequenzbereich von etwa 40 – 50 Hz. Im Gegensatz zu diesen Studien zeigt sich in dem hier verwendeten experimentellen Paradigma jedoch eine überraschend breitbandige Verteilung mit einem flachen Abfall der Synchronisation im Bereich über 100 Hz. 2) Die Analyse einzelner Versuchwiederholungen offenbart eine hohe Frequenzvariabilität der visuell induzierten neuronalen Synchronisation. 3) Die funktionelle Spezifität neuronaler Synchronisation zeigt eine überraschend breite Frequenzverteilung bis in hochfrequente Bereiche über 100 Hz. 4) Durch Anwendung des Index auf kontinuierliche Frequenzbänder wird ein funktionelles Band hochfrequenter neuronaler Synchronisation abgeleitet, welches sich von etwa 45 Hz bis deutlich über 100 Hz erstreckt. 5) Eine Analyse der frequenzspezifischen Synchronisation zwischen lokalem Feldpotential und Aktionspotentialen bestätigt diese Befunde.

Diese Ergebnisse stützen die Übertragbarkeit der Befunde einer großen Anzahl von an anästhesierten Katzen durchgeführten Studien auf wache Tiere. Jedoch demonstrieren die Messungen an wachen sich unter vergleichsweise natürlichen Bedingungen verhaltenden Tieren und die Anwendung eines objektiven Kriteriums der Stimulusspezifität neuronaler Synchronisation deren überraschend breite Frequenzverteilung, die im hochfrequenten Bereich weit über die üblicherweise untersuchten Frequenzbänder hinausreicht. Neben wichtigen methodologischen Implikationen sprechen die Befunde gegen die Hypothese hochfrequenter kortikaler Synchronisation als einem schmalbandigen statischen Phänomen.


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25.04.2005