Neuroner i musens hjärnbark rekonstruerade från elektronmikroskopbilder (grå). Varje nervcell bildar kontakter med tusentals andra celler. Forskare analyserar funktionerna i dessa nätverk med hjälp av datorsimuleringar. Kredit:MPI f. Hjärnforskning/Berning, Boergens, Helmstaedter
Neuroner som förblir aktiva även efter att den utlösande stimulansen har tystats utgör grunden för korttidsminnet. Hjärnan använder rytmiskt aktiva neuroner för att kombinera större grupper av neuroner till funktionella enheter. Tills nu, neuroforskare har, för det mesta, studerat dessa och andra egenskaper med hjälp av nätverksmodeller, var och en endast kan återskapa en enskild egenskap. Forskare vid Max Planck Institute for Brain Research i Frankfurt har nu visat hur den nya modellen kan användas för att undersöka flera egenskaper parallellt. Enligt deras beräkningar, alla egenskaper har en gemensam grund:jonkanaler i cellmembranet som styr hur starkt neuroner stimuleras elektriskt. Uppkomsten av dessa egenskaper kräver inte synaptisk plasticitet - ett fynd som hjälper till att förklara, till exempel, varför vissa psykoaktiva droger kan ha långtgående biverkningar.
"Det jag inte kan skapa, Jag förstår inte." Trogen denna observation av den amerikanske fysikern Richard Feynman, neuroforskare strävar efter att virtuellt modellera den mänskliga hjärnan inuti en dator. De fokuserar specifikt på hjärnbarken, som är ansvarig för de högre kognitiva förmågorna.
En av datormodellerna av hjärnbarken som utvecklats under de senaste åren är känd som modellen Stabilized Supralinear Network (SNN). Det är baserat, bland annat, under antagandet att relationen mellan in- och utsignaler inte är linjär. De virtuella nervcellerna i modellen är designade så att en liten ökning av input kan resultera i en dramatiskt förstärkt utdata. SSN består av element som ömsesidigt aktiverar eller hämmar varandra, precis som hjärnan består av stimulerande och hämmande neuroner. Å andra sidan, sambanden mellan elementen, dvs de virtuella synapserna, är oföränderliga. Således, till skillnad från synapser i hjärnbarken, anslutningar i SSN kan inte utökas eller dämpas.
Tidigare studier hade visat att SSN förkroppsligar viktiga egenskaper för att bearbeta insignaler som liknar centra i hjärnbarken som bearbetar visuell information. De inkluderar, till exempel, normalisering av visuella stimuli av olika styrkor, förstärkning av aktivitet för svaga kontraster och undertryckande av närliggande stimuli. Kan ett sådant nätverk också ligga till grund för andra egenskaper hos hjärnbarken?
Jonkanaler är inbäddade i cellmembranet hos neuroner. Förträngningen inuti kanalen, den så kallade kanalporen, bestämmer dess permeabilitet för olika joner (röda, grön). Av det här, jonkanaler bidrar väsentligt till neuronernas elektriska aktivitet – och enligt de senaste rönen även till egenskaperna hos neuronala nätverk. Kredit:MPI f. Experimentell medicin
Enligt analyser utförda av forskarna vid Max Planck Institute for Brain Research, så är faktiskt fallet. Till exempel, de virtuella nervcellerna i SSN förblir permanent aktiva – även efter att den ursprungliga aktiveringssignalen har tystats. "Detta är en förutsättning för korttidslagring eller sensorisk information, betyder hjärnans arbetsminne, " säger Nataliya Kraynyukova från Max Planck Institute for Brain Research. Dessutom, nätverksmodellen kan generera rytmisk aktivitet. Sådana vaxande och avtagande signaler är typiska karaktäristiska för hjärnbarken och uppträder som vågliknande aktivitetsmönster på elektroencefalogram.
Korttidsminne utan synaptisk plasticitet
Resultaten visar att omfattande förmågor som korttidsminne och normalisering av kontrastsignaler kan dela en gemensam neuronal bas, nämligen jonkanaler i cellmembranet. Synaptisk plasticitet krävs inte. "Det förvånade oss, eftersom man i flera år har trott att synaptisk plasticitet är en nyckelmekanism för lagring av information i hjärnan. Tydligen, dock, detta gäller inte korttidsminnet, " säger Tatjana Tchumatchenko.
De nya fynden hjälper också till att förklara varför vissa psykoaktiva droger har oönskade biverkningar utöver den önskade huvudeffekten:Vissa droger förändrar aktiviteten hos vissa jonkanaler i hjärnan. "Många läkemedel mot epilepsi och migrän, till exempel karbamazepin och topiramat, blockera aktiviteten hos potentiellt utlösta natriumkanaler. Vi vet nu att detta kan påverka viktiga aktiviteter i hjärnan och, till exempel, påverka korttidsminnet, " förklarar Tchumachenko.
