In ihrer Beschreibung der Kommunikationsnetzwerke des Gehirns verwendet Alessandra Griffa, Senior Postdoctoral Research Fellow an der EPFL, gerne Reisemetaphern. Die Signale des Gehirns werden von einer Quelle zu einem Ziel gesendet, wodurch ein polysynaptischer Weg entsteht, der mehrere Gehirnareale kreuzt "wie eine Strecke mit vielen Zwischenstopps".
Sie erklärt, dass die strukturellen Konnektivitätswege im Gehirn bereits auf der Grundlage von Netzwerken ("Straßen") neuronaler Fasern beobachtet wurden. Als Wissenschaftlerin am Labor für medizinische Bildverarbeitung ( MIP:Lab ) der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und -techniken der EPFL und Forschungskoordinatorin am Centre Leenaards de la Mémoire des CHUV wollte Alessandra Griffa jedoch die Muster der Informationsübertragung verfolgen, um herauszufinden, wie Nachrichten gesendet und empfangen werden. In einer kürzlich in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Studie arbeitete sie mit Dimitri Van de Ville, dem Leiter des MIP:Lab, und Enrico Amico, einem Stipendiaten des SNF Ambizione , zusammen, um "Karten des Gehirnverkehrs" von Menschen und anderen Säugetieren zum Vergleich zu erstellen.
Um dies zu erreichen, sammelten die Wissenschaftler Open-Source-Diffusionsdaten (DWI) und funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) von wachen und ruhenden Menschen, Makaken und Mäusen. Mit den DWI-Scans konnten die Wissenschaftler die "Straßenkarten" des Gehirns nachbilden, und mit den fMRT-Scans konnten sie sehen, wie verschiedene Hirnareale entlang jeder "Straße" aufleuchteten, was darauf hindeutet, dass diese Wege neuronale Informationen weiterleiten.
Sie analysierten die multimodalen MRT-Daten mithilfe der Informationstheorie und der Graphentheorie. Alessandra Griffa sagt, dass es diese neue Kombination von Methoden war, die zu den neuen Daten geführt hat.
"Das Neue an unserer Studie ist die Verwendung von multimodalen Daten in einem einzigen Modell, das zwei Zweige der Mathematik kombiniert: die Graphentheorie, die polysynaptische "Straßenkarten" beschreibt, und die Informationstheorie, die die Übertragung von Informationen (oder "Verkehr") über Straßen abbildet. Das Grundprinzip ist, dass die Nachrichten, die von einer Quelle zu einem Ziel übertragen werden, unverändert bleiben oder sich bei jedem Halt auf der Strecke verschlechtern, wie das arabische Telefonspiel, das wir als Kinder gespielt haben."
Der Ansatz der Wissenschaftler ergab, dass in nichtmenschlichen Gehirnen Informationen entlang einer einzigen "Straße" gesendet werden, während es bei Menschen mehrere parallele Wege zwischen Quelle und Ziel gibt. Außerdem sind diese parallelen Wege so einzigartig wie Fingerabdrücke und könnten zur Identifizierung von Personen genutzt werden.
"Man hatte angenommen, dass es eine solche Parallelverarbeitung im menschlichen Gehirn gibt, aber sie war noch nie über das gesamte Gehirn hinweg beobachtet worden", fasst Alessandra Griffa zusammen.
Perspektiven für die Evolution und die Medizin
Laut Alessandra Griffa liegt die Attraktivität des von den Wissenschaftlern entdeckten Modells in seiner Einfachheit und in der Tatsache, dass es neue Perspektiven und Forschungsansätze in den Bereichen Evolution und Computational Neuroscience erwarten lässt. Beispielsweise lassen sich die Ergebnisse dadurch erklären, dass das Volumen des menschlichen Gehirns im Laufe der Zeit zugenommen hat, was zu komplexeren Konnektivitätsmustern geführt hat."Wir könnten annehmen, dass diese parallelen Informationsflüsse multiple Repräsentationen der Realität und die Fähigkeit zur Ausführung abstrakter Aufgaben ermöglichen, die für den Menschen typisch sind."
Sie fügt hinzu, dass diese Hypothese zwar rein spekulativ sei, da die Studie in Nature Communications keine Tests der Computer- oder kognitiven Fähigkeiten der Probanden beinhaltete, dass dies jedoch Fragen seien, die sie in Zukunft gerne untersuchen würde.
"Wir haben untersucht, wie Informationen reisen. Ein interessanter nächster Schritt wäre es, komplexere Prozesse zu modellieren, um zu untersuchen, wie Informationen im Gehirn kombiniert und verarbeitet werden, um etwas Neues zu erschaffen."
Als Forscherin im Bereich Gedächtnis und Kognition interessiert sie sich besonders für die Anwendung des in der Studie entwickelten Modells, um herauszufinden, ob die parallele Informationsübertragung Gehirnnetzwerken Resilienz verleihen könnte und möglicherweise eine Rolle bei der Neurorehabilitation nach Hirnverletzungen oder bei der Prävention des kognitiven Verfalls bei Erkrankungen des höheren Lebensalters spielen könnte.
"Manche Menschen altern bei guter Gesundheit, während andere einen kognitiven Verfall erleben. Wir würden daher gerne wissen, ob es einen Zusammenhang zwischen diesem Unterschied und dem Vorhandensein paralleler Informationsflüsse gibt und ob es möglich ist, diese zu trainieren, um neurodegenerative Prozesse auszugleichen."
