9 Diskussion

9.1 Zusammenfassung der Ergebnisse

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Zahlreiche Studien untersuchten im vergangenen Jahrzehnt stimulusspezifische Synchronisationsphänomene neuronaler Aktivität. Besonders oszillatorische Synchronisationen im Gamma-Frequenzband standen hierbei im Mittelpunkt des Interesses. Der häufig gebrauchte Terminus Gamma-Synchronisation referiert im Vergleich verschiedener Studien jedoch auf ein inhomogenes Spektrum an Definitionen und entsprechenden Frequenzbändern. Zudem wurde ein Großteil der Experimente an anästhesierten Versuchstieren oder unter Einsatz von Fixationsparadigmen durchgeführt. Diese methodologischen Nachteile schränken die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die Funktion des Kortex wacher sich unter natürlichen Bedingungen verhaltender Tiere deutlich ein.

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In der hier vorgestellten Studie wurde die neuronale Aktivität im primären visuellen Kortex wacher, sich verhaltender Katzen mittels bis zu 17 chronisch implantierter Mikroelektroden untersucht. Die Frequenzverteilung neuronaler Synchronisation wurde für den kurz- wie auch langreichweitigen Bereich quantifiziert. An Hand eines objektiven Kriteriums wurde ein funktionelles Frequenzband neuronaler Synchronisation definiert.

9.1.1 Fragestellung 1: Frequenzverteilung

Im primären visuellen Kortex wacher sich verhaltender Katzen induziert die visuelle Stimulation sowohl für die kurzreichweitige- und langreichweitige Synchronisation als auch für die Synchronisation zwischen Aktionspotentialen und LFP eine Zunahme in einem breiten Frequenzbereich. Eine maximale relative Antwort der neuronalen Synchronisation findet sich für alle diese Fälle in einem Frequenzbereich von 44 – 53 Hz wobei sich ein überraschend flacher Abfall der relativen Antwort gegen hohe Frequenzbereiche über 100 Hz darstellt. In einem Frequenzbereich von etwa 10 – 20 Hz läßt sich zudem eine distinkte tieffrequente Komponente stimulusinduzierter neuronaler Synchronisation nachweisen.

Die Analyse der Variabilität relativer Antworten über Versuchswiederholungen zeigt, daß die Peak-Frequenzen der maximalen relativen Antworten einer deutlichen Streuung unterliegen. Für die kurz- wie auch langreichweitige neuronale Synchronisation bedingt diese Streuung der Peak-Frequenz eine Überlagerung schmalbandigerer Antworten, die die breite Frequenzverteilung relativer Antworten im hochfrequenten Bereich mit erklären kann.

9.1.2 Fragestellung 2: Funktionelles Band

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Durch Parametrisierung der neuronalen Synchronisation wurde sowohl eine Frequenz, als auch ein Frequenzband optimaler Stimulusspezifität der Synchronisation abgeleitet. Im Vergleich zu der Frequenz der maximalen relativen Antwort zeigt sich mit etwa 70 Hz eine konsistent höhere Frequenz optimaler Stimulusspezifität. Auch die Analyse eines optimalen funktionellen Frequenzbandes liefert für die kurz – und langreichweitige neuronale Synchronisation einen überraschend breiten und hohen Frequenzbereich. So startet dieses funktionelle Band bei etwa 45 Hz und erstreckt sind in hochfrequente Bereiche deutlich über 100 Hz. Ähnlich, wie für die Frequenzverteilung relativer Antworten beobachtet, zeigt sich neben dem breiten hochfrequenten Band ein distinktes tieffrequentes Frequenzband im Bereich von etwa 15 Hz mit hoher Stimulusspezifität neuronaler Synchronisation.

9.2 Vergleich mit anderen Studien

Vor dem Hintergrund des großen Interesses, welches oszillatorische Synchronisationsphänomene im Gamma-Frequenzbereich in den letzten Jahren auf sich zogen, überrascht es festzustellen, wie sehr die Frage nach der Wahl eines optimalen funktionellen Frequenzbereichs vernachlässigt wurde.

In einer anderen am visuellen Kortex wacher Katzen durchgeführten Studie, wurden die Versuchtiere in einem Fixationsparadigma trainiert, Sakkaden und Augenfolgebewegungen zu unterdrücken (Gray und Viana Di Prisco, 1997). Dieses experimentelle Paradigma entsprach somit den klassischen Fixationsparadigmen, welche in vielen Experimenten am visuellen Kortex von Primaten benutzt werden (de Oliveira et al., 1997;Frien et al., 1994;Konig und Engel, 1995;Kreiter und Singer, 1996;Tovee und Rolls, 1992). In der hier vorgestellten Studie, wurde ebenfalls ein Paradigma verwendet, welches auf der relativen Bewegung von visuellen Stimuli verschiedener Orientierung und der Retina basiert. Jedoch wurde der Versuch unternommen, den experimentellen Ablauf möglichst weit an das natürliche Verhaltensrepertoir der untersuchten Katzen anzunähern. So wurde ein visuelles Verfolgungsparadigma entworfen, in dem der effektive visuelle Stimulus als statischer Hintergrund fungiert. Vergleicht man den sehr geringen Zeitaufwand für das Training der Versuchstiere, welcher benötigt wird, um eine hohe Zuverlässigkeit in der Ausführung dieses Paradigmas zu gewährleisten, mit dem um ein Vielfaches höheren Trainingsaufwand für das Erlernen Fixationsparadigma, so spricht dies deutlich für das Verfolgungsparadigma als das dem natürlicheren Verhalten nähere experimentelle Paradigma.

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Die hier vorgestellte Analyse visuell induzierter neuronaler Synchronisation zeigt deren breitbandige Zunahme mit maximalen relativen Antworten in einem Frequenzbereich von etwa 40 – 50 Hz. Diese Ergebnisse stehen in guter Übereinstimmung mit der oben vorgestellten anderen Studie am visuellen Kortex wacher Katzen (Gray und Viana Di Prisco, 1997) und einer großen Anzahl von Studien am visuellen System anästhesierter Katzen (Singer und Gray, 1995). In dem hier verwendeten möglichst natürlichen Stimulationsparadigma bestätigt sich ebenfalls die Streuung der Peak-Frequenzen maximaler relativer Antworten über Versuchswiederholungen, wie sie in einem Fixationsparadigma an wachen Katzen demonstriert wurde (Gray und Viana Di Prisco, 1997). Diese Aspekte neuronaler Synchronisation können mit der hier vorgestellten Studie also im visuellen System wacher Tiere unter vergleichsweise natürlichen Verhaltensbedingungen bestätigt werden.

Im Gegensatz zu diesen Ergebnisse wurde die Breite der Frequenzverteilung visuell induzierter neuronaler Synchronisation und deren langsamer Abfall im hochfrequenten Bereich über 100 Hz bislang weder in anästhesierten Präparationen noch unter Verwendung von Fixationsparadigmen an wachen Tieren beschrieben. Auch die Analyse der Stimulusspezifität neuronaler Synchronisation zeigt eine überraschend breite Frequenzverteilung mit einem optimalen funktionellen Frequenzband, welches über den Frequenzen maximaler relativer Antworten beginnt und sich weit in den hohen Frequenzbereich von über 100 Hz erstreckt. Somit ist dieses funktionelle Frequenzband neuronaler Synchronisation breiter und hochfrequenter als diejenigen Frequenzbänder, welche einem Großteil der Studien sogenannter Gamma-Synchronisationen zu Grunde liegen.

Die Beschreibung neuronaler Aktivität in verschiedenen Frequenzbereichen findet intensive Anwendung in dem Studium der zeitlichen Dynamik kortikaler Aktivitätsmuster während unterschiedlicher kortikaler Vigilanzzustände. So überwiegen etwa während des als slow-wave Schlafes bezeichneten Schlafstadiums tieffrequente Synchronisationen, wohingegen das Spektrum neuronaler Aktivität während der Stadien retikulärer Aktivierung in Richtung des hochfrequenten Gamma-Bands verschoben wird (Herculano-Houzel et al., 1999;Munk et al., 1996;Steriade et al., 1996). Solche Stadien retikulärer Aktivierung finden sich während der REM-Schlafphasen, im wachen Gehirn oder auch während der Depolarisationsphase langsamer Membranpotentialoszillationen, die sowohl während des slow-wave Schlafes, als auch am wachen Gehirn beobachtet werden können (Steriade et al., 1996). Der oft gebrauchte Begriff „desynchronisierter Gehirnzustände“, der für Phasen retikulärer Aktivierung in Anschlag gebracht wird, sollte somit vielmehr zu Gunsten einer Beschreibung der Verschiebung neuronaler Synchronisation in einen hochfrequenteren Bereich aufgegeben werden.

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Darüber hinaus haben Studien unterschiedlicher Vigilanzzustände gezeigt, daß die Frequenz hochfrequenter oszillatorischer Synchronisationen positiv mit dem Depolarisationsniveau langsamer Membranpotentialoszillationen korreliert ist (Steriade et al., 1996). Dieser Befund deutet auf eine mögliche Interpretation der hier beschriebenen hohen Variabilität der Peak-Frequenz hochfrequenter Synchronisationen hin. So könnte dieser Streuung der Oszillationsfrequenz der Synchronisationen im Gamma-Frequenzbereich die Dynamik langsamer Membranpotentialvariationen im tieffrequenten Bereich zu Grunde liegen.

Sowohl für die Frequenzverteilung relativer Antworten, als auch die Ableitung eines funktionellen Bandes finden sich in der vorliegenden Studie stimulusabhängige Synchronisationen neuronaler Aktivität im hochfrequenten Bereich über 100 Hz. Die entsprechenden Funktionen zeigen in diesem Bereich jedoch keinen monotonen Abfall, sondern weisen konsistent ein lokales Maximum über der Frequenz von 100 Hz auf. Die Analyse der Bikohärenz legt die Schlußfolgerung nahe, daß es sich bei diesem lokalen Maximum nicht lediglich um einen harmonischen Effekt tieffrequenterer oszillatorischer Phänomene handelt. Interessanterweise wurden solche sehr hochfrequenten Oszillationen, die als „ripples“ bezeichnet werden, kürzlich in der kortikalen Aktivität in verschiedenen natürlichen Vigilanzzuständen demonstriert (Grenier et al., 2001). Darüber hinaus wurde die Synchronisation solcher sehr hochfrequenter Oszillationen über eine kortikale Distanz von mehreren Millimeter demonstriert. Das Auftreten und die neuronaler Mechanismen solcher sehr hochfrequenter Oszillations- und Synchronisationsphänomene ist in Untersuchungen am Hippokampus Gegenstand zahlreicher Studien gewesen (Draguhn et al., 2000;Draguhn et al., 1998;Schmitz et al., 2001;Traub et al., 1999). Diese Studien liefern deutliche Evidenzen dafür, daß im Hippokampus axo-axonale gap junctions eine wesentliche Rolle bei der Generierung solcher ripples spielen (Schmitz et al., 2001). Obwohl bislang keine direkten Evidenzen für solche axo-axonalen elektrischen Koppelungen zwischen kortikalen Neuronen vorliegen, konnte demonstriert werden, daß das Auftreten von ripples im Kortex von Katzen durch die Applikation des gap-junction Antagonisten Halothan, unterbunden wird (Grenier et al., 2001). Im Lichte dieser Befunde könnten die in dieser Untersuchung demonstrierten lokalen Maxima der sehr hochfrequenten neuronalen Synchronisation über 100 Hz das Korrelat solcher als ripples beschriebenen Oszillationen darstellen.

9.3 Implikationen der Befunde

Eine wichtige methodologische Schlußfolgerung aus den hier vorgestellten Ergebnissen betrifft die Auswahl von Frequenzbereichen im Studium stimulusabhängiger kortikaler Synchronisationsphänomene. So sollten, um das Signal-Rausch Verhältnis der untersuchten Signale zu verbessern, hohe Frequenzen von über 100 Hz berücksichtigt werden. Darüber hinaus bietet die Untersuchung von Synchronisationsphänomenen in einem breiten Frequenzband eine deutlich bessere Signalqualität, als die Analyse einzelner Frequenzen. Auch die untere Schwellenfrequenz des analysierten Frequenzbereichs sollte hoch genug gewählt werden. Insbesondere scheint es wenig sinnvoll, Analysen auf einen engen Frequenzbereich um die oft zitierte Frequenz von 40 Hz zu beschränken.

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Die hier vorgestellten Befunde bestätigen, daß während visueller Stimulation auch im primären visuellen Kortex wacher sich möglichst natürlich verhaltender Versuchtiere maximale neuronale Synchronisationen im Bereich von etwa 40 – 50 Hz zu finden sind. Jedoch zeigt sich in dem verwendeten Paradigma eine überraschend breite Frequenzverteilung induzierter hochfrequenter Synchronisationen und ein distinktes tieffrequentes Band visuell induzierter Synchronisation. Darüber hinaus weisen diese Synchronisationsphänomene über einen sehr breiten Frequenzbereich eine Stimulusspezifität auf. Diese Befunde unterstreichen die Bedeutung sowohl sehr tiefer, als auch hochfrequenter Bereiche über 100 Hz für eine umfassende Beschreibung und Untersuchung oszillatorischer Synchronisation neuronaler Aktivität in der kortikalen Informationsverarbeitung.

Die hier demonstrierten Unterschiede der Frequenzverteilung neuronaler Synchronisationen zu anderen Studien legen den Schluß nahe, daß das verwendete Stimulationsparadigma einen starken Einfluß auf diese Synchronisationsphänomene haben könnte. Experimentelle Studien, welche die Korrelation der Aktivität einzelner Neurone mit Augenbewegungen untersuchten, stützen diese Hypothese (Martinez-Conde et al., 2000;Martinez-Conde et al., 2002). Insbesondere vor dem Hintergrund des Bemühens die Funktionsweise des wachen Kortex unter natürlichen Bedingungen zu verstehen, stellt die systematische Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Augenbewegungen und neuronaler Synchronisation einen logischen nächsten experimentellen Schritt dar.

Welche Implikationen haben die vorgestellten Ergebnisse für die Hypothese der Bindung neuronaler Repräsentationen durch hochfrequente neuronale Synchronisation? Die demonstrierten Resultate zeigen zunächst, daß es im primären visuellen Kortex wacher sich verhaltender Tiere zu stimulusspezifischer hochfrequenter neuronaler Synchronisation kommt. Die Resultate legen zudem den Schluß nahe, daß diese neuronale Synchronisation wie hier etwa mit der Orientierung von Konturen jene Stimuluseigenschaften kodiert, welche auch durch die Feuerrate von Neuronen repräsentiert werden (Hubel und Wiesel, 1962). Einer sehr starken Form der Hypothese repräsentationaler Bindung durch Synchronisation, welche eine Dissoziation der durch Feuerraten und neuronale Synchronisation codierten Stimuluseigenschaften fordert, widersprechen somit die hier demonstrierten Befunde. Um die Hypothese einer Kodierung von relationalen Stimuluseigenschaften durch neuronale Synchronisation an wachen Katzen genauer zu untersuchen, müßten schließlich spezielle Stimulationsparadigmen in Anschlag gebracht werden, wie sie an anästhesierten Präparationen bereits eingesetzt wurden (Castelo-Branco et al., 2000;Gray et al., 1989).

9.4 Fazit und Ausblick

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Ziel der in diesem Abschnitt der vorliegenden Arbeit dargestellten experimentellen Studie war es, die Synchronisation neuronaler Aktivität im visuellen System wacher sich verhaltender Tiere unter möglichst natürlichen Stimulationsbedingungen quantitativ zu untersuchen. Ein wichtiges Teilergebnis dieser Studie ist es, daß in dem hier verwendeten experimentellen Paradigma die in anderen weniger natürlichen Paradigmen so zahlreich beschriebenen Synchronisationsphänomene grundsätzlich reproduziert werden können. Zudem zeigte die Parametrisierung dieser Synchronisationsphänomene grundlegende Übereinstimmungen mit Ergebnissen aus anderen experimentellen Paradigmen. So fand sich ähnlich wie in anästhesierten Präparationen beschrieben eine maximale durch visuelle Reize induzierte Synchronisation in einem Frequenzbereich von 40 – 50 Hz. Sowohl die Frequenzverteilung der induzierten Synchronisation als auch die Frequenzverteilung deren Stimulusspezifität zeigte im Gegensatz zu vorbeschriebenen Befunden jedoch einige deutliche Unterschiede. So zeigt sich daß unter natürlicheren Bedingungen durch visuelle Stimulation auch in ansonsten kaum berücksichtigten Frequenzbereichen über 100 Hz für Eigenschaften des präsentierten Stimulus spezifische neuronale Synchronisation induziert wird. Zudem findet sich ebenfalls stimulusspezifische Synchronisation neuronaler Aktivität in einem distinkten tieffrequenten Band. Die beiden im ersten Abschnitt dieser Arbeit vorgestellten Frequenzbänder neuronaler Synchronisation lassen sich somit am visuellen Kortex wacher sich verhaltender Tiere experimentell nachvollziehen.

Die hier vorgestellte Studie stellt einen ersten Schritt dar in Richtung der Entwicklung experimenteller elektrophysiologischer Paradigmen, welche versuchen die neuronale Aktivität im visuellen System von wachen Tieren unter möglichst natürlichen Bedingungen zu untersuchen. So bieten die Ergebnisse der hier vorgestellten Studie einen wichtigen Ausgangs- und Vergleichspunkt für weiterführende Untersuchungen, die eine stärkere Annäherung an natürliche Bedingungen versuchen.

In der hier vorgestellten Studie wurden mit sinusoidalen Gratings die klassischen in visuellen Paradigmen eingesetzten Reize verwendet. Diese Stimuli sind durch eine sehr einfache Stimulusstatistik mit einer einzigen konstanten Raumfrequenz charakterisiert. Die Statistik natürlicher Stimuli hingegen zeichnet sich durch ein komplexes Raum- und Zeitspektrum sowie Korrelationen höherer Ordnung im Raum- und Zeitbereich aus. Als einen weiteren Schritt in Richtung natürlicher Versuchsbedingungen untersuchte eine kürzlich vorgestellte Studie, welche auf den hier vorgestellten Experimenten und Ergebnissen aufbaut, den Einfluß verschiedener statistischer Eigenschaften visueller Stimuli auf die neuronale Synchronisation im primären visuellen Kortex wacher Katzen (Kayser et al., 2003).

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Eine weitere interessante Fragestellung, die sich aus den Ergebnissen der hier vorgestellten Studie ergibt ist die systematische Untersuchung des Zusammenhangs zwischen natürlichen Augenbewegungen und neuronalen Synchronisationsphänomenen. Sowohl durch Bewegungen im Stimulusraum als auch durch ständige Augenbewegungen muß das visuelle System unter natürlichen Bedingungen sich ständig verändernde retinale Informationen verarbeiten. So ließe sich etwa in einem Paradigma, welches unter Verwendung natürlicher Stimuli eine kontinuierliche Registrierung der Augenbewegungen ermöglichte, der Zeitverlauf des dieses retinalen Bildes rekonstruieren. Die Synchronisation neuronaler Aktivität könnte so sowohl mit Augenbewegungen als auch mit dem retinalen Stimulus korreliert werden.

Das hier beschriebene experimentelle Paradigma bietet auch auf der Seite des Verhaltens einen Ausgangspunkt für weiterführende Paradigmen. So könnte etwa der Einfluß von Lernprozessen oder unterschiedlicher Verhaltensrelevanz auf neuronale Synchronisationsphänomene in Diskriminationsparadigmen weitergehend untersucht werden (von Stein et al., 2000).

Auf der Seite der Datenanalyse bieten die hier präsentierten Ergebnisse ebenfalls interessante Ausgangspunkte für weitergehende Untersuchungen. Welchen Einfluß etwa haben Stimuluseigenschaften oder aufgabenspezifische Parameter auf die Synchronisation zwischen verschiedenen Frequenzbändern? Findet sich eine Kovarianz zwischen der Synchronisation in verschiedenen Bändern oder der etwa der Phase einer tieffrequenten Oszillation mit der Amplitude hochfrequenter Synchronisationsphänomene (Steriade et al., 1996)?

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Zusammenfassend demonstriert die hier vorgestellte Studie eine zumindest teilweise Übertragbarkeit der in weniger natürlichen Paradigmen beschriebenen neuronalen Synchronisationsphänomene auf wache, sich verhaltende Tiere. Die Anwendung eines objektiven Kriteriums, welches die Parametrisierung der Stimulusspezifität neuronaler Synchronisation ermöglicht, demonstriert eine überraschend breite und hohe Frequenzverteilung der stimulusspezifischen Synchronisation. Die vorgestellten Ergebnisse bieten eine Grundlage und Vergleichspunkt, für weiterführende experimentelle Studien, welche uns einem Verständnis der neuronalen Mechanismen eines unter natürlichen Bedingungen operierenden visuellen Systems näherbringen können.


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25.04.2005