Die Neuronen in unserem Gehirn feuern unterschiedlich schnell. Zum einen unterliegt ihre Aktivität intrinsischen Schwankungen, die unter anderem auf unterschiedlichen Abklingzeiten der Erregung beruht. So arbeiten die sensorischen Bereiche unseres Gehirns, die rasch auf neue Reize reagieren müssen, auf einer schnelleren Zeitskala als der Assoziationskortex und der präfrontale Kortex, die an komplexeren Aufgaben beteiligt sind. Zum anderen ändert sich die Feuerrate bei spezifischen Aufgaben. Während sich diese aufgabeninduzierten Zeitskalen direkt auf die Ausführung der Aufgabe beziehen, ist wenig darüber bekannt, ob sich auch die intrinsischen Zeitskalen während kognitiver Aufgaben verändern und flexibel an die Herausforderungen anpassen.
Schnelle und langsame Aktivität
Um diese Frage zu klären, kombinierte ein Team um Roxana Zeraati von der Universität Tübingen Daten aus früheren Publikationen mit neuen Computersimulationen, die die Ergebnisse nachbilden und Schlüsse über die zugrundeliegenden Mechanismen ermöglichen. In den Experimenten aus früheren Studien waren Makaken darauf trainiert worden, einen Punkt auf einem Bildschirm zu fokussieren und auf Veränderungen verschiedener visueller Stimuli zu reagieren. Hirnstrommessungen zeichneten währenddessen die Aktivität im visuellen Kortex V4 der Affen auf, der für diese Art von Aufmerksamkeit zuständig ist. Bei dieser Art der Messung zeigen Spitzen im Elektroenzephalogramm, die sogenannten Spikes, die Aktivität der Neuronen an.
„Die laufende Spike-Aktivität entwickelte sich über mindestens zwei unterschiedliche Zeitskalen, eine schnelle und eine langsame“, berichtet das Forschungsteam. Zudem ließen sich während der Aufgabe Fluktuationen innerhalb der langsamen Zeitskala beobachten: Wenn der Affe sich durchgehend auf den vorgegebenen Punkt fokussierte, verlor die langsame Aktivität der Neuronen in den entsprechenden Bereichen noch weiter an Tempo. Sollte er dann auf eine Veränderung des visuellen Reizes reagieren, ging gerade diese verlangsamte Neuronenaktivität mit den kürzesten Reaktionszeiten einher.
„Dies mag der Intuition widersprechen, ist aber im Grunde sehr plausibel“, erklärt Zeraati. „Eine langsamere Zeitskale bedeutet, dass es eine stärkere Korrelation zwischen dem gegenwärtigen Zustand des Gehirns und seinem gerade vergangenen Zustand gibt. Wenn die Neuronen mit etwas beschäftigt sind, erinnern sie sich besser an ihre eigene Vergangenheit; und das bedeutet Verlangsamung.“
Netzwerkstruktur bestimmt die Zeitskalen
Doch wie kann ein Netzwerk aus Neuronen diese unterschiedlichen Zeitskalen hervorbringen? Um den Ursachen und Mechanismen auf den Grund zu gehen, erstellte das Team eine Computersimulation der neuronalen Netzwerke und Prozesse und testete daran drei verschiedene Hypothesen: Rühren die verschiedenen Zeitskalen daher, dass die beteiligten Neuronen unterschiedlich schnell arbeiten? Sind ihre verschiedenen biophysikalischen Eigenschaften verantwortlich? Oder bestimmt die Struktur des Netzwerks die Geschwindigkeit? „Unsere dritte Vermutung stellte sich als die allein richtige heraus“, sagt Zeraatis Kollegin Anna Levina. „Der Schlüssel liegt nicht in den Eigenschaften einzelner Neuronen, sondern in der Struktur des Netzwerks.“
