Ein neues Schaltkreismodell für ein besseres Verständnis des Gehirns

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Wissenschaftler der EPFL haben ein Computermodell des thalamischen Mikroschaltkreises im Gehirn von Mäusen entwickelt. Dieses Modell liefert neue Erkenntnisse über die Rolle dieses Hirnareals bei der Funktion und Fehlfunktion des Gehirns.

Der Thalamus und der Nucleus reticularis thalamicus befinden sich im Herzen des Gehirns von Säugetieren. Sie spielen eine Schlüsselrolle bei zahlreichen Funktionen, u. a. bei der Übertragung sensorischer Informationen an die Großhirnrinde und beim Übergang zwischen Gehirnzuständen wie Schlaf und Wachzustand. Veränderungen des Feuerns und der Interkonnektivität der thalamischen Neuronen wurden jedoch mit pathologischen Gehirnrhythmen und Veränderungen der rhythmischen Gehirnwellen, die während des Schlafs auftreten, in Verbindung gebracht, die bei Erkrankungen wie Schizophrenie, neurologischen Entwicklungsstörungen, Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung und Alzheimer-Krankheit beobachtet wurden.

Das vom Blue-Brain-Team entwickelte neue Modell ist das erste, das die komplexen Formen und biophysikalischen Eigenschaften von 14 000 Neuronen erfasst, die über 6 Millionen Synapsen miteinander verbunden sind. Es kann zur Erforschung der strukturellen und funktionellen Komplexität neuronaler Schaltkreise verwendet werden. Das Modell reproduziert außerdem mehrere unabhängige experimentelle Ergebnisse auf Netzwerkebene in verschiedenen Gehirnzuständen und liefert eine neue, vereinheitlichende zelluläre und synaptische Erklärung für spontane und evozierte Aktivität sowohl im Wachzustand als auch im Schlaf.

Eine der wichtigsten Erkenntnisse der Studie war, dass der inhibitorische Rebound, ein Prozess, der die Aktivität von Nervenzellen reguliert, während des Wachzustands bei bestimmten Frequenzen einen Anstieg der thalamischen Reaktionen bewirkt. Das Modell zeigte auch, dass die thalamischen Interaktionen die charakteristischen Spindeloszillationen, die rhythmischen Gehirnwellen, die während des Schlafs beobachtet werden, erzeugen und dass Veränderungen in der Erregbarkeit der Thalamuszellen die Häufigkeit und das Auftreten dieser Spindeloszillationen steuern.

"Dies ist besonders nützlich, um das Vorhandensein oder Fehlen von Spindeln bei verschiedenen Hirnstörungen zu interpretieren", betont Elisabetta Iavarone , Hauptautorin. "Mit diesem Ansatz wurde das erste detaillierte morphologische und biophysikalische Modell eines thalamischen Mikroschaltkreises erstellt, das zeigt, dass die von Blue Brain für kortikale Mikroschaltkreise entwickelte Modellierungsmethode auch auf andere Hirnareale angewendet werden kann", fügt Henry Markram , Gründer und Leiter des Blue Brain Project, hinzu.

"Computermodelle und Simulationen können die Integration und Normalisierung verschiedener experimenteller Datenquellen erleichtern, fehlende Schlüsselexperimente hervorheben und gleichzeitig ein Werkzeug zum Testen von Hypothesen und zur Erforschung der strukturellen und funktionellen Komplexität neuronaler Schaltkreise bereitstellen", erklärt Sean Hill , Co-Direktor des Blue Brain Project und wissenschaftlicher Direktor des Krembil Centre for Neuroinformatics.

Die in der neuesten Ausgabe von Cell Reports veröffentlichte Forschung stellt einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der Rolle des Thalamus und des thalamischen Nucleus reticularis bei der Funktion und Dysfunktion des Gehirns dar. Das vom Blue Brain Project der EPFL entwickelte Modell ist nun für Forscherinnen und Forscher zugänglich, die es für ihre eigenen Studien verwenden können.

"Dieses Modell ist frei zugänglich und bietet ein neues Werkzeug, um die Spindeloszillationen zu interpretieren und Hypothesen über die Funktion und Dysfunktion des thalamoretikulären Schaltkreises in verschiedenen Zuständen des Netzwerks, bei Gesundheit und Krankheit zu testen", schloss Sean Hill.

Referenzen

Thalamoreticular Microcircuit Portal

Iavarone, E., Simko, J., Shi, Y., Bertschy, M., García-Amado, M., Litvak, P., Kaufmann, A.-K., O’Reilly, C., Amsalem, O., Abdellah, M., Schewtschenko, G., Coste, B., Courcol, J.-D., Ecker, A., Favreau, C., Fleury, A. C., Van Geit, W., Gevaert, M., Guerrero, N. R., Herttuainen, J., Ivaska, G., Kerrien, S., King, J.G., Kumbhar, P., Lurie, P., Magkanaris, I., Muddapu, V.R., Nair, J., Pereira, F.L., Perin, R., Petitjean, F., Ranjan, R., Reimann, M., Soltuzu, L., Sy, M.F., Tuncel, M.A., Ulbrich, A., Wolf, M., Clascá, F., Markram, H., & Hill, S. L. (2023). Thalamic control of sensory processing and spindles in a biophysical somatosensory thalamoreticular circuit model of wakefulness and sleep. Cell Reports, 42(3), 112200. https://doi.org/10.1016/­j.celrep.2­023.112200