Strukturelle/funktionelle Vernetzung

Eine fundierte Grundlage für das Verständnis lokaler Dynamik

Es ist bekannt, dass die funktionelle Dynamik um ein statisches anatomisches (weiße Substanz) Gerüst herum stattfindet (Honey et al., 2009). Computermodelle deuten darauf hin, dass eine realistische Netzwerkdynamik und der damit einhergehende Einfluss neuronalen Rauschens nicht ohne eine gesunde, biologisch plausible Struktur der weißen Substanz existieren können (Deco et al., 2009). Es bleibt jedoch unbekannt, inwieweit das Gerüst der weißen Substanz die funktionelle Dynamik/Variabilität über die gesamte menschliche Lebensspanne einschränkt. Obwohl strukturelle Verbindungen das „Kerngerüst“ der Gehirnfunktion bilden, existieren funktionelle Verbindungen dagegen auch weitestgehend in Abwesenheit direkter struktureller Verbindungen (Deco et al., 2009; Ghosh et al., 2008; Honey et al., 2007). Dass unser neuronales System auf ein breites Repertoire an Hirnzuständen/Netzwerken zugreifen kann, wenn Variabilität vorhanden ist, trägt als theoretisch und rechnerisch begründeter Faktor zu den Auswirkungen der Hirnsignalvariabilität bei (Deco et al., 2009; 2011; Garrett et al., 2013, NBR). Dementsprechend kann sich ein gesundes, gut entwickeltes Gehirn (wie beispielsweise bei jungen Erwachsenen) bei geänderten systemischen oder ökologischen Anforderungen effizienter umstrukturieren, weil es flexibler ist.

Unter der Annahme, dass nodenbasierte Signalvariabilität ein dynamisches System widerspiegelt, das sich ständig in Hinblick auf Stärke und Richtung neu strukturiert, wird klar, dass eine genaue Messung der Dynamik auf Netzwerkebene erforderlich ist, um die Grenzen der nodenbasierten Dynamik zu bestimmen. Wir untersuchen diese Fragen im Rahmen der Emmy Noether-Gruppe Neuronale Dynamik über die Lebensspanne eingehend.
 
Ein kürzlicher Versuch, die temporale nodenbasierte Dynamik mit Effekten auf Netzwerkebene zu verknüpfen (Garrett et al., 2018, NeuroImage), ergab, dass die überwiegende Mehrheit der lokalen zeitlichen Variabilität eher die Netzwerkkommunikation und -integration widerspiegelt als ein lokales „Rauschen“. Zentrale Erkenntnis war, dass der Thalamus eine einzigartige und grundlegende, auf Variabilität basierende Signatur dafür lieferte, wie sich das Gehirn über Ebenen hinweg integriert. Damit stellt er ein wichtiges anatomisches Ziel für zukünftige Arbeiten der Gruppe dar, in denen es um Erzeugung und Mechanismen der temporalen Variabilität im Gehirn geht.

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