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Jahrbuch 2005/2006 | Galuske, Ralf A. W . | Dynamik und Plastizität der Informationsverarbeitung in der
Großhirnrinde
Dynamik und Plastizität der Informationsverarbeitung in der
Großhirnrinde
Dynamics and plasticity of information processing in the cerebral
cortex
Galuske, Ralf A. W .
Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt am Main
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Die
Signalverarbeitung
in
der
Großhirnrinde
w ird
maßgeblich
von
den
zugrunde
liegenden
Verbindungsstrukturen bestimmt. Bisherige Konzepte dazu bauen im Wesentlichen auf der Rolle von feedforw ard-Verbindungen auf, die primäre und höhere kortikale Areale verbinden. Dieser Ansatz vernachlässigt
jedoch, dass auch in der Gegenrichtung massive Projektionen Signale von höheren Arealen zurück in die
primären sensorischen Hirnareale bringen. W ir haben die funktionelle Rolle solcher feed-back-Verbindungen
durch
Kombination
von
optischen
und
elektrophysiologischen
Ableitemethoden
mit
reversiblen
Deaktivierungsmethoden untersucht und konnten zeigen, dass feed-back -Verbindungen eine w ichtige Rolle
bei der Verarbeitung von sensorischen Eingangssignalen spielen. Des Weiteren w urde untersucht, w ie
erfahrungsabhängige Plastizität von kortikalen Repräsentationen gesteuert w ird. Diese Studien ergaben, dass
die Induktion von plastischen Veränderungen in kortikalen Netzw erken entscheidend vom Kontext und
globalen Aktivierungszustand, in dem die entsprechenden Reize präsentiert w erden, abhängen.
Summary
In the cerebral cortex information processing strongly relies on the connectivity betw een different areas. So
far, investigations have concentrated on the role of feed-forw ard connections linking low er areas to higher
order centers. How ever, there is also a dense netw ork of feed-back connections w hich transmit signals back
to the primary sensory areas. We have investigated the role of these connections using optical and
electrophysiological recording techniques in combination w ith reversible deactivation methods and show ed
that feed-back connections exert a strong influence over the neuronal processes in early sensory areas.
Moreover, w e investigated how use-dependent cortical plasticity is related to different states of cortical
processing and found that only in states of high frequency oscillatory activity, w hich are related to
w akefulness and attention, an enhancement of the representations of repetitively experienced stimuli can be
induced.
Integration von feed-forward- und feed-back- Signalen im visuellen Kortex
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In frühen sensorischen Arealen der Grosshirnrinde sind viele der Eigenschaften der zu verarbeitenden
Information in so genannten „Karten“ in kolumnärer Weise repräsentiert. In den frühen kortikalen
Verarbeitungsarealen des visuellen Systems bilden Eigenschaften w ie z.B. die Orientierung von Konturen oder
die Bew egungsrichtung von visuellen Reizen die Basis dieser komplexen Repräsentationen (Abb. 1).
O rie ntie rungsk a rte n im prim ä re n visue lle n Korte x . a ) –d)
O ptisch a bge le ite te Ak tivitä tsm uste r im prim ä re n visue lle n
Korte x na ch Stim ula tion m it orie ntie rte n Ba lk e ngitte rn. Die
e ntspre che nde n Stim uli sind je we ils obe rha lb de r
Ak tivitä tsk a rte n ge ze igt. Dunk e le Be re iche ze ige n a k tive
R e gione n, he lle Be re iche ze ige n ina k tive R e gione n. Ein Bild
de s a bge le ite te n Be re iche s ist in f) ge ze igt. e ) Fa rbk odie rte
O rie ntie rungsprä fe re nzk a rte für die se n Be re ich. Die
O rie ntie rungsprä fe re nze n für je de n P ix e l sind durch ve k torie lle
Addition de r in a )-d) ge ze igte n Einze la k tivitä te n be re chne t
und da nn ge m ä ß de s übe r de r Abbildung a nge ge be ne n
Fa rbsche m a s k odie rt worde n.
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Derzeitige Konzepte zur Verarbeitung von sensorischen Informationen basieren auf der Annahme, dass
verschiedene subkortikale Zentren und kortikale Areale die eingehenden Signale in hierarchischer Reihenfolge
sequenziell analysieren und so die Grundlage für die kartenartigen Repräsentationen bilden. Eine solches, als
„bottom-up“ bezeichnetes Verarbeitungskonzept vernachlässigt allerdings die Tatsache, dass neben den in
der Hierarchie vorw ärts (feed-forw ard) gerichteten Verbindungen auch ein noch dichteres Netzw erk von
Rückprojektionen (feed-back-Verbindungen) besteht, durch das hierarchisch höher stehende Areale Signale
zurücksenden können. W ir haben in den vergangenen Jahren begonnen, die physiologischen Eigenschaften
dieser Rückprojektionen näher zu charakterisieren. Als Modell dient uns das visuelle System von Katzen.
Ähnlich w ie im visuellen System von Primaten lassen sich hier zw ei getrennte Verarbeitungspfade grob
unterscheiden, die Form und Bew egung getrennt in einer Kette von reziprok miteinander verbundenen
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Hirnarealen mit zunehmender Komplexität verarbeiten.
Sche m a tische Da rste llung de s Ve rsuchsa ufba us zur
Unte rsuchung de s Einflusse s von fe e d-ba ck - Ve rbindunge n
a uf die ne urona le Ve ra rbe itung im prim ä re n visue lle n Korte x .
a ) Se ite na nsicht de s Großhirns de r Ka tze m it Da rste llung de r
ve rschie de ne n visue lle n Are a le (m odifizie rt na ch Tusa e t a l.
1981 [4]). b) Sche m a tische r Ve rsucha ufba u zur Unte rsuchung
de s Einflusse s von fe e d-ba ck -Ve rbindunge n von Are a P MLS
na ch Are a 18, e ine s Te ile s de s prim ä re n visue lle n Korte x be i
de r Ka tze . Die Mik roe le k trode n wurde n zur
e le k trophysiologische n und die C C D-Ka m e ra übe r Are a 18 zur
optische n Me ssung de r ne urona le n Ak tivitä t be nutzt. Die
O rie ntie rung de r be ide n Abbildunge n ist durch die
R ichtungsk re uze a nge ze igt (l: la te ra l, m : m e dia l, d: dorsa l, v:
ve ntra l, a : a nte rior, p: poste rior).
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Um die Rolle von feed-back-Signalen zu untersuchen, haben w ir höhere Areale im parietalen Pfad, der sich
vornehmlich mit der Verarbeitung von Bew egungsinformationen befasst, durch Kühlung reversibel deaktiviert
und gleichzeitig mithilfe optischer und elektrophysiologischer Ableitemethoden visuell evozierte Aktivität im
primären visuellen Kortex untersucht (Abb. 2). Ein w esentliches Ergebnis dieser Experimente ist, dass die
Deaktivierung dieser höheren Areale deutliche Aktivitätsverringerungen in frühen visuellen Arealen bew irkt.
Zusätzlich zeigte sich, dass die Repräsentationen von Bew egungen nicht nur schw ächer, sondern auch
qualitativ verändert w erden (Abb. 3). Insbesondere sehr bew egungsselektive Neurone veränderten in
Abw esenheit von feed-back-Signalen ihr Feuerverhalten sehr stark bis hin zum völligen Erliegen der
Antw orttätigkeit.
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Konse que nze n de r De a k tivie rung von P MLS, e ine s a uf die
Ve ra rbe itung von Be we gungsinform a tione n spe zia lisie rte n
Korte x a re a le s, a uf R e prä se nta tione n und ne urona le Ak tivitä t
in Are a 18. a ) Fa rbk odie rte R ichtungsk a rte n in Are a 18 vor
(link s), wä hre nd (m itte ) und na ch (re chts) de r De a k tivie rung
von P MLS. Die we iße n Kre uze m a rk ie re n je we ils die se lbe n O rte
in de n dre i Ka rte n; die Zuordnung de r ve rschie de ne n Fa rbe n
zu de n unte rschie dliche n Be we gungsrichtunge n ist re chts
a uße n a nge ze igt. Es fä llt a uf, da ss wä hre nd de r P MLSDe a k tivie rung die Zuordnung de r ve rschie de ne n
richtungsse le k tive n Be re iche de utlich ve rä nde rt ist. b) Ka rte n
de r Ve k torstä rk e , k orre spondie re nd zu de n R ichtungsk a rte n in
a ). He lle Be re iche we ise n e ine hohe Ve k torstä rk e a uf, dunk le
Be re iche e ine ge ringe . W ä hre nd de r De a k tivie rung von P MLS
(m ittle re Ka rte ) ist die Ve k torstä rk e de r visue ll e vozie rte n
Antworte n de utlich re duzie rt. c) Antwortve rä nde runge n von
Ne urone n in Are a 18 wä hre nd de r De a k tivie rung von P MLS,
gruppie rt na ch de m Ausm a ß ihre r initia le n
R ichtungsse le k tivitä t. Ne urone n m it e ine r hohe n Se le k tivitä t
für be stim m te Be we gungsrichtunge n we ise n e ine n hohe n MDI
(m e a n dire ction inde x ) a uf, Ne urone m it e ine r ge ringe n
Se le k tivitä t für e ine be stim m te Be we gungsrichtung be sitze n
e ine n ge ringe n MDI. Es fä llt a uf, da ss insbe sonde re Ne urone
m it hohe m MDI durch die De a k tivie rung von fe e d-ba ck Ve rbindunge n ihre Antwortstä rk e de utlich re duzie re n. d)
Ve rä nde runge n in de r oszilla torische n Ak tivitä t de r ne urona le n
Antworte n in Are a 18 durch De a k tivie rung von P MLS.
Insbe sonde re schne lle O szilla tione n im γ -Be re ich sind vom
Ausfa ll von P MLS be troffe n.
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P a yne
Die
Ergebnisse
dieser
Experimente
zeigen,
dass
feed-back-Signale
eine
essenzielle
Rolle
bei
der
Signalverarbeitung in frühen visuellen Arealen spielen: Zum einen w urde durch die Deaktivierung von höheren,
Bew egungsinformation verarbeitenden Arealen im parietalen Kortex global die visuell evozierte Aktivität
deutlich reduziert, zum anderen w urde die Repräsentation von Bew egungsrichtungen, die so genannte
Richtungskarte, massiv verändert (Abb. 3). Feed-back-Signale sind somit in zw eierlei Hinsicht sehr w ichtig für
die Verarbeitung von einlaufenden Informationen: Einerseits w ird durch diese Signale das Aktivitätsniveau
global erhöht und dies führt zur Verstärkung der Eingangssignale; andererseits kontrolliert die feed-backAktivität sehr spezifisch die Bew egungssensitivität der Neurone und formt damit die entsprechenden
Repräsentationen, w odurch eine bessere Analyse der einlaufenden Signale ermöglicht w ird. Dieser Effekt der
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feed-back-Aktivität kommt insbesondere bei der Analyse komplexer Stimuluskonfigurationen zum Tragen,
deren Interpretation die Koordination der Aktivität von Neuronenverbänden erfordert, die über eine große
Fläche
verteilt
liegen. Diese
Koordination
der Aktivität
scheint
sich
in
der zeitlichen
Struktur von
Aktivitätsmustern auszudrücken. W ir konnten beobachten, dass durch Wegfall der feed-back-Aktivität die
präzise Synchronisation der neuronalen Antw orten in primären visuellen Arealen reduziert w ird und die damit
einhergehende Feldpotenzial-Aktivität im hochfrequenten γ-Bereich (30-70 Hz) signifikant abnimmt (Abb. 3).
Diese Daten legen nahe, dass die neuronalen Prozesse, die der Wahrnehmung zugrunde liegen, nicht nur auf
der seriellen Verarbeitung einlaufender Informationen beruhen, sondern dass die lokalen Prozesse der
globalen Kontrolle von hierarchisch höhergestellten Großhirnbereichen unterw orfen sind und dadurch
Teilinformationen nach globalen Ordnungskriterien zusammengefügt w erden. Laufende Untersuchungen
setzen an dieser Stelle an und versuchen herauszustellen, w ie diese Interaktionen im Detail ablaufen und
w elche Faktoren die Aktivitätsmuster in höheren Arealen der Großhirnrinde beeinflussen.
Plastizität sensorischer Repräsentationen im visuellen Kortex
Nicht nur der auf einer sehr engen Zeitskala ablaufende Prozess der Interaktion von feed-back- und feedforw ard-Interaktionen ist w ichtig für die Verarbeitung von Sinnesinformationen, sondern auch der jew eilige
Zustand
der
verarbeitenden
Neuronennetze.
Dieser
Zustand
kann
in
erheblichem
Umfang
von
vorhergehenden Wahrnehmungen abhängen, da diese zu plastischen Veränderungen führen können, die als
Lernprozesse in Erscheinung treten. In der Wahrnehmungspsychologie ist bekannt, dass die w iederholte
Konfrontation mit demselben Stimulus eine Verbesserung (Sensibilisierung) oder eine Verschlechterung
(Adaptation) der Wahrnehmung des jew eiligen Stimulus nach sich ziehen kann -so stellt sich die Frage nach
den neuronalen Prozessen, die bei w iederholter Stimuluspräsentation zu Funktionsänderungen führen und
w elche Faktoren diese Veränderungen bestimmen. W ir formulierten die Hypothese, dass der allgemeine
Aktivierungszustand für diese Prozesse eine maßgebliche Rolle spielt. Dieser w ird entscheidend durch die
Aktivität von Hirnstammzentren, insbesondere der Formatio Retikularis, gesteuert, die indirekt über den
Neuromodulator Acetylcholin die globale Aktivität im Neokortex beeinflusst und auf diese Weise die
oszillatorische Aktivität und die zeitliche Struktur von neuronalen Antw orten stark verändern kann. In Phasen
der Ruhe oder im Schlaf ist die Aktivität dieser Hirnstammstruktur gering und die oszillatorische Aktivität im
Kortex liegt im Bereich von niedrigen Frequenzen (1-10Hz). In Phasen der Wachheit und des aktiven
Verarbeitens von Sinnesinformationen ist diese modulierende Aktivität deutlich erhöht und es kommt zu
schnellen Oszillationen im γ-Bereich (30-70 Hz). Gleichzeitig w erden die Entladungsmuster der kortikalen
Neurone mit einer Präzision im Millisekundenbereich synchronisiert. Um unsere Hypothese zu testen, haben
w ir die w iederholte Präsentation von visuellen Reizen mit elektrischer Reizung der Formatio Retikularis
gepaart. Dabei zeigte sich, dass sich die Repräsentationen der w iederholt gezeigten Stimuli deutlich
vergrößerten, w ährend eine Abnahme der Signalstärke für diese Stimuli zu verzeichnen w ar, w enn die
visuellen Reize ohne die Hirnstammaktivierung w iederholt dargeboten w urden (Abb. 4). Diese Effekte w aren
sehr eng an das Vorliegen von γ-Oszillationen gekoppelt, und auch auf dem Niveau von einzelnen Neuronen
ließ sich nachw eisen, dass sich die Antw orteigenschaften der Zellen entsprechend veränderten: Fand die
w iederholte Präsentation der Stimuli in Phasen erhöhter γ-Aktivität statt, so antw orteten die Neuronen im
Folgenden besser auf diese Stimuli; w ar die γ-Aktivität nicht erhöht, so antw orteten die Zellen später
schlechter auf die w iederholt gezeigten Reize.
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Ve rä nde runge n von O rie ntie rungsk a rte n na ch wie de rholte r
Stim ula tion m it orie ntie rte n R e ize n: a ) O rie ntie rungsk a rte vor
wie de rholte r Stim ula tion. b) O rie ntie rungsk a rte na ch
wie de rholte r Stim ula tion; die P rä se nta tion de s visue lle n
R e ize s wurde je we ils m it e ine m k urze n e le k trische n Im puls in
de r Form a tio R e tik ula ris ge pa a rt. c) und d) Fa rbk odie rte
O rie ntie rungsprä fe re nzk a rte n von de rse lbe n Able itre gion wie
in a ) und b) vor (c) und na ch (d) re pe titive r visue lle r
Stim ula tion. De r wie de rholt ge ze igte R e iz ha tte e ine
O rie ntie rung von 45°, die in die se n Ka rte n in rot k odie rt ist.
Ma n sie ht die de utliche n Ausbre itunge n de r R e prä se nta tion
die se s Stim ulus in die R a ndbe re iche de r e ntspre che nde n
O rie ntie rungsdom ä ne n. e ) O be rflä che na ufna hm e von de r in
a )-d) a bge le ite te n R e gion in Are a 18. f) Mittle re optische
Signa lve rä nde runge n durch wie de rholte Stim ula tion m it
de m se lbe n Stim ulus m it und ohne gle ichze itige
Hirnsta m m re izung in de n ve rschie de ne n Be re iche n de r
O rie ntie rungsre prä se nta tione n. R ote Ba lk e n ze ige n die W e rte
für Fä lle , in de ne n visue lle und e le k trische Stim ula tion
ge pa a rt wa re n, bla ue Ba lk e n ze ige n W e rte für Fä lle , in de ne n
nur visue ll stim ulie rt wurde . Ma n sie ht, da ss in Fä lle n
ge pa a rte r Stim ula tion die Antwortstä rk e für de n prä se ntie rte n
Stim ulus a nste igt, wä hre nd be i a lle inige r visue lle r Stim ula tion
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die Antworte n schwä che r we rde n. g) Mittle re Ve rä nde runge n
de r O rie ntie rungsprä fe re nz von e le k trophysiologisch
a bge le ite te n Ne urone n in Are a 18. Die initia le
O rie ntie rungsprä fe re nz de r Ne urone ist a ls Funk tion ihre r
Entfe rnung von de r O rie ntie rung de s wie de rholt ge ze igte n
Stim ulus a ufge tra ge n. Die rote Kurve ze igt die Ve rä nde runge n
de r Ne urone , die visue ll in P ha se n e rhöhte r γ -Ak tivitä t
stim ulie rt worde n sind, wä hre nd die bla ue Kurve
Ve rä nde runge n in Ze lle n ze igt, die in P ha se n e rnie drigte r γ Ak tivitä t stim ulie rt wurde n. Ma n sie ht, da ss Ne urone , de re n
O rie ntie rungsprä fe re nz bis zu 30° unte rschie dlich vom
wie de rholt ge ze igte n R e iz ist, ihre O rie ntie rungsprä fe re nz
ve rä nde rn, we nn de r R e iz in P ha se n e rhöhte r γ -Ak tivitä t
prä se ntie rt wird und som it in Folge be sse r a uf die se n R e iz
a ntworte n k önne n.
© MP I Hirnforschung / Ga lusk e , Munk
Diese Ergebnisse zeigen, dass der Kontext, in dem Reize verarbeitet w erden, nicht nur eine w esentliche Rolle
für die aktuelle Reizverarbeitung spielt, sondern dass er darüber hinaus die lang anhaltenden Veränderungen
der verarbeitenden Strukuren nachhaltig bestimmt. Ferner zeigen diese Daten, dass die Induktion von
plastischen Veränderungen in der Großhrinrinde ein zeitkritischer Prozess ist. In Phasen hoher γ-Aktivität sind
die
neuronalen
Antw orten
im Millisekundenbereich
synchronisiert
und die
Effizienz
der synaptischen
Übertragung zw ischen den dann gleichzeitig aktiven Neuronen nimmt zu. In Phasen, in denen diese präzise
Synchronisation nicht zustande kommt, w erden die synaptischen Verbindungen abgeschw ächt. Genau diese
Veränderungen sind von dem kanadischen Psychologen Donald Hebb in den 1949 formulierten Lernregeln
vorausgesagt w orden. Unsere Experimente bestätigen diese Voraussage nunmehr auf systemischer Ebene.
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[1] Galuske, R. A. W., K. E. Schmidt, R. Goebel, S. G. Lomber, and B. R. Payne:
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