Joel Fröhlich

Erregung und Hemmung: Das Yin und Yang des Gehirns

Schöne Komplexität ergibt sich aus dem Gleichgewicht zweier entgegengesetzter Kräfte.

Kayleen Schreiber, Wissende Neuronen
Quelle: Kayleen Schreiber, Knowing Neurons

Um eine Arbeit zu machen nervöses SystemEs sind nur zwei Kräfte erforderlich: Erregung und Hemmung. Durch anregende Signale von einer Zelle zur nächsten wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die letztere Zelle feuert. Durch die inhibitorische Signalübertragung ist es weniger wahrscheinlich, dass die letztere Zelle feuert. Bei chemischen Synapsen im Gehirn sind Glutamat und GABA (Gamma-Aminobuttersäure) Sender zur Erregung bzw. Hemmung. Zugegeben, ihre Namen rufen keine Symmetrie hervor - einer erinnert an billiges Essen und der andere an eine schwedische Popband. Glutamat und GABA sind jedoch das Yin und Yang des Gehirns. Dopamin, Serotonin, Noradrenalin und andere berühmte Hirnchemikalien haben sich als Sender mit viel spezielleren Wirkungen einen Namen gemacht. Aber das Brot und die Butter des Gehirns sind zweifellos Glutamat und GABA. Im Prinzip ist ein Nervensystem von nur einer Handvoll Neuronen und zwei Sendern - anregend und hemmend - möglich.

Das Gleichgewicht zwischen neuronaler Erregung und neuronaler Hemmung ist entscheidend für die Gesundheit Erkenntnis und Verhalten. Ein von Glutamat dominiertes Gehirn wäre nur in der Lage, sich in wiederholten Aktivitätsschüben zu erregen, ähnlich einem epileptischen Anfall. Umgekehrt wäre ein von GABA dominiertes Gehirn nur in der Lage, leise zu flüstern, wobei nur eine geringe Synchronisation für eine sinnvolle Kommunikation zwischen Gehirnbereichen erforderlich ist. Gesunde Gehirnaktivität gedeiht im mittleren Bereich zwischen diesen beiden Extremen, wo ein Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung komplexe Aktivitätsmuster erzeugt. Ein scheinbar einfaches Nervensystem, das nur mit Glutamat und GABA gebildet wird, führt dennoch zu einer hochkomplexen Aktivität.

In ähnlicher Weise kann eine scheinbar einfache Mischung von Chemikalien in einer Petrischale zu hochkomplexen chemischen Reaktionsmustern wie oszillierenden Spiralwellen führen, wenn sowohl eine Chemikalie, die die Reaktion anregt, als auch eine Chemikalie, die die Reaktion hemmt, vorhanden sind. Diese allgemeine Art der Reaktion, die als Belousov-Zhabotinsky-Reaktion bezeichnet wird, wurde sogar als Modell dafür untersucht, wie neuronale Netze Informationen verarbeiten, da die Komplexität der Reaktion von ähnlichen Prinzipien bestimmt wird.



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Simulation der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion
Quelle: Wikimedia Commons-Benutzer Simpsons Contributor

Da angenommen wird, dass komplexe Muster der Gehirnaktivität dem flexiblen Verhalten und der Wahrnehmung zugrunde liegen, wird das Verhältnis zwischen Erregung und Hemmung - das als E / I-Gleichgewicht bezeichnet wird - zunehmend als entscheidende Maßnahme zur Beurteilung der Fitness eines Gehirns anerkannt. Schizophreniewurde beispielsweise mit einem niedrigen E / I-Verhältnis in Verbindung gebracht, das durch schwach aktive Glutamatrezeptoren verursacht wurde. AutismusAndererseits wurde mit einem hohen E / I-Verhältnis in Verbindung gebracht, das durch schwach aktive GABA-Rezeptoren verursacht wurde. Noch stärkere Erregungs- oder Hemmungsüberschüsse können zu epileptischen Anfällen bzw. zum Koma des Gehirns führen. Tatsächlich haben Menschen mit Autismus weitaus häufiger Epilepsie - eine Erkrankung, die Anfälle verursacht - als die durchschnittliche Person, was darauf hindeutet, dass sowohl Autismus als auch Epilepsie auf einem hohen E / I-Verhältnis beruhen.

Wie funktioniert die Synergie zwischen Erregung und Hemmung? Sowohl die alleinige Erregung als auch die Hemmung ziehen das Gehirn zu unterschiedlichen Mustern relativ einfacher Aktivität an. Das Gleichgewicht von beiden erzeugt einen kritischen Zustand, wie die Grenze zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit. Außerhalb des Gehirns sind viele kritische Zustände instabil, wie ein Bleistift, der vertikal an seiner Spitze balanciert ist, aber nach einer weiteren Änderung seiner Position umfällt. Überraschenderweise sind kritische Zustände im Gehirn oft selbst erhalten und robust gegenüber weiteren Veränderungen. Nachdem beispielsweise die synaptische Eingabe in ein neuronales Netzwerk einen kritischen Zustand erzeugt hat, behält die weitere synaptische Eingabe den kritischen Zustand bei, anstatt das Netzwerk in ein einfaches, stabiles Muster zu verschieben. Aus diesem Grund wird das Phänomen als selbstorganisierte Kritikalität oder SOC bezeichnet, ein Begriff für das Konzept, das von den Physikern Per Bak, Chao Tang und Kurt Wiesenfeld vom Brookhaven National Laboratory in New York entwickelt wurde.

SOC wird als wichtig für die Gehirnfunktion angesehen, da es dem Gehirn ein gewisses Maß an Flexibilität ermöglicht. So wie eine kritische Substanz flexibel zwischen einem gasförmigen und einem flüssigen Zustand wechseln kann, kann der SOC dem Gehirn ermöglichen, viele verschiedene Aktivitätszustände zu besuchen. Überall dort, wo SOC in der Natur beobachtet wird, scheint es aufgrund eines langsamen Prozesses, der Energie aufbaut, und eines schnellen Prozesses, der Energie abführt, komplexe Aktivitäten auf vielen zeitlichen und räumlichen Skalen zu erzeugen. Diese Komplexität kann durch ein Muster beschrieben werden, das als skalierungsfreie Verteilung bezeichnet wird. Im Gegensatz zu der Normalverteilung oder „Glockenkurve“, die wir aus der Statistikklasse kennen, hat eine skalierungsfreie Verteilung keinen Mittelwert oder Durchschnitt.

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Kritikalität im Gehirn kann verstanden werden, indem man sich Lawinen vorstellt, die sich auf einem Sandhaufen oder Berg bilden.
Quelle: Wikimedia Commons-Benutzer Ben-Zin

Um SOC besser zu verstehen, stellten sich Bak und seine Kollegen ein bekanntes Szenario vor: den Bau eines Sandhaufens am Strand. Der Sandhaufen wird größer, bis sein Hang eine bestimmte Steilheit erreicht, die zu einem kritischen Zustand führt. Das Hinzufügen von mehr Sand löst dann Lawinen verschiedener Größen aus. Tatsächlich bleibt der kritische Zustand bestehen, selbst wenn Sie mehr Sand hinzufügen - er ist wirklich selbstorganisiert.



Die beiden konkurrierenden Prozesse in diesem Beispiel sind der langsame Prozess des Hinzufügens von Sand, der Energie aufbaut, und der schnelle Prozess, der sich aus der Schwerkraft ergibt, die die Kraftreibung überwindet, die Energie abführt. Vielleicht fühlt sich dieses Beispiel weit vom Gehirn entfernt. Das langsame Hinzufügen von Sand ist jedoch analog zum Hinzufügen von exzitatorischen synaptischen Eingaben in einem neuronalen Netzwerk. In ähnlicher Weise ist der schnelle Prozess der Überwindung der Reibung durch die Schwerkraft analog zur neuronalen Erregung, die die neuronale Hemmung überwindet und Feuerstöße auslöst - neuronale Lawinen. Sandhaufenlawinen folgen der gleichen schuppenfreien Verteilung, die bei elektrischen Gehirnaufzeichnungen beobachtet wurde: Die Aktivität wird bei allen Maßstäben und Frequenzen beobachtet, was auf ein empfindliches E / I-Gleichgewicht zurückzuführen ist.

Kayleen Schreiber, Wissende Neuronen
Quelle: Kayleen Schreiber, Knowing Neurons

Tatsächlich können wir das Sandhaufenmodell ändern, um Krankheitszustände zu simulieren, bei denen Erregung und Hemmung nicht ausgeglichen sind. Stellen Sie sich vor, Sie bauen einen Haufen aus Glasperlen und nicht aus Sandkörnern. Die glatten Perlen haften nicht gut und der zerbrechliche Haufen kollabiert wie ein Jenga-Turm, sobald er eine kritische Masse erreicht hat, ohne eine wirklich selbstorganisierte Kritikalität zu erreichen. Dies ist analog zum Zustand übermäßiger neuronaler Erregung: Die synaptische Hemmung ist zu schwach, um die Stürme des exzitatorischen Platzens zu stoppen, die komplexe Signale unterbrechen und Anfälle bilden. Stellen Sie sich umgekehrt vor, Sie bauen einen Sandhaufen mit nassem Sand. Der nasse Sand ist klebrig, was zu wenigen Lawinen führt, da die Kohäsivität des Sandes zu hoch ist. Dies ist analog zu einem Zustand übermäßiger neuronaler Hemmung: Der exzitatorische Antrieb kann den erstickenden Griff der synaptischen Hemmung nicht überwinden und behindert neuronale Berechnungen, die von komplexen Signalen abhängen.

Da die elektrische Gehirnaktivität leicht durch Platzieren von Elektroden auf der Kopfhaut (EEG) beobachtet werden kann, können Forscher und Kliniker auf das E / I-Gleichgewicht schließen, ohne die Zellen im Gehirn direkt zu untersuchen. Beispielsweise sind epileptiforme Entladungen - Ausbrüche störender Erregung - eindeutige Signaturen für ein hohes E / I-Verhältnis. Diese Entladungen können darauf hinweisen, dass das Gehirn über die Kritikalität hinaus zu a gedrängt wurde überkritisch Zustand. Obwohl traditionell mit Epilepsie assoziiert, können epileptiforme Entladungen auch in den EEGs von Patienten auftreten, die noch nie einen einzigen Anfall hatten. Ein aufkommendes Konzept von Epilepsiespektrumstörungen versucht, psychische Erkrankungen wie z Panikstörungim gleichen Kontext wie Epilepsie. Dr. Nash N. Boutros von der Universität von Missouri, Kansas City, untersucht epileptiforme Entladungen bei Patienten mit Panikattacken als mögliche Indikatoren für das gleiche hohe E / I-Verhältnis, das Epilepsie verursacht. Wenn Panik Störungen und Epilepsie haben eine gemeinsame Ursache. Beide können möglicherweise mit Antiepileptika behandelt werden. Während solche Medikamente im Allgemeinen Anfälle behandeln, wird angenommen, dass sie die neuronale Erregbarkeit verringern, und sie wurden auch von der FDA zur Behandlung zugelassen bipolare Störungzu psychiatrisch Störung, bei der Patienten sowohl erhöhte als auch erniedrigte Stimmungszustände erleben.

In naher Zukunft könnten Medikamente, die die neuronale Erregbarkeit verändern, vielversprechend sein, um das erkrankte Gehirn zum E / I-Gleichgewicht zu führen. In der Tat genauso viele spirituell Praktiken befürworten die Aufrechterhaltung eines „inneren Gleichgewichts“. Ein physisches Gleichgewicht zwischen entgegengesetzten Kräften scheint für die Aufrechterhaltung eines gesunden Gehirns von zentraler Bedeutung zu sein. Die im Gehirn beobachteten Synergien zwischen Gegensätzen erinnern uns daran, dass Komplexität ein Gleichgewicht erfordert. Während empirische Beweise gezeigt haben, dass die Gehirngröße oder die Gehirnmasse nicht das beste Maß für die Fitness des Gehirns ist, könnte das E / I-Gleichgewicht stattdessen um diesen Titel kämpfen. Eines Tages beinhaltet eine Untersuchung in der Arztpraxis möglicherweise nicht nur die Messung Ihres Pulses, Ihrer Größe und Ihres Gewichts, sondern auch eine EEG-Messung Ihres E / I-Verhältnisses.

Verweise

Grünert, Gerd, Peter Dittrich und Klaus-Peter Zauner. "Künstliche feuchte neuronale Netzwerke aus unterteilten anregbaren chemischen Medien." ERCIM NEWS 85 (2011): 30-32.

Vanag, Vladimir K. und Irving R. Epstein. "Erregende und hemmende Kopplung in einer eindimensionalen Anordnung von Belousov-Zhabotinsky-Mikrooszillatoren: Theorie." Physical Review E 84.6 (2011): 066209.

Buzsaki, Gyorgy. Rhythmen des Gehirns. Oxford University Press, 2006.

Bak, Per. "Wie die Natur funktioniert: die Wissenschaft der selbstorganisierten Kritikalität." Nature 383.6603 (1996): 772 & ndash; 773.

Tetzlaff, Christian et al. "Selbstorganisierte Kritikalität bei der Entwicklung neuronaler Netzwerke." PLoS Comput Biol 6.12 (2010): e1001013.

Boutros, Nash N. et al. "Epilepsiespektrumstörungen: Ein Konzept, das validiert oder widerlegt werden muss." Medical Hypotheses 85.5 (2015): 656 & ndash; 663.

Boutros, Nash N. et al. "Vorhersagewert isolierter epileptiformer Entladungen für eine günstige therapeutische Reaktion auf Antiepileptika bei nicht-epileptischen psychiatrischen Patienten." Journal of Clinical Neurophysiology 31.1 (2014): 21-30.