Mäusestudie zeigt, wie Aufmerksamkeit die sensorische Verarbeitung beeinflusst

Mäuse haben die Fähigkeit, auf einen bestimmten Reiz zu achten und einen anderen zu ignorieren. Diese Fähigkeit ist wichtig für ihr Überleben, da sie es den Tieren ermöglicht, sich auf wichtige Signale zu konzentrieren und Ablenkungen herauszufiltern. In dieser Studie haben wir uns angeschaut, wie das Gehirn sensorische Informationen verarbeitet, wenn Mäuse trainiert werden, sich auf entweder einen visuellen oder einen taktilen Reiz zu konzentrieren. Wir haben uns auf Bereiche im Gehirn konzentriert, die sekundäre sensorische thalamische Kerne genannt werden und eine Rolle bei der Verarbeitung sensorischer Informationen und der Steuerung der Aufmerksamkeit spielen.

#Die Rolle der sensorischen thalamischen Kerne

Sensorische thalamische Kerne sind Gruppen von Zellen im Thalamus, die sensorische Signale empfangen, bevor sie zur Grosshirnrinde weitergeleitet werden, die diese Signale verarbeitet. Primäre Kerne reagieren stark auf sensorische Eingaben, während sekundäre Kerne, wie der hintere mediale Kern (POM) und der laterale hintere Kern (LP), komplexere Rollen haben. Sie erhalten weniger direkte sensorische Informationen und sind mit verschiedenen kortikalen Bereichen verbunden, was ihre Funktion in der Wahrnehmung und Kognition weniger klar macht.

#Mäuse auf verschiedene Reize konditionieren

Um das weiter zu untersuchen, haben wir Mäuse mit festem Kopf trainiert, sich auf einen bestimmten Reiz zu konzentrieren – entweder einen visuellen oder einen taktilen Reiz – und den anderen zu ignorieren. Der visuelle Reiz war ein sich bewegendes Bild auf einem Bildschirm, während der taktile Reiz ein Luftstoss war, der auf die Schnurrhaare der Mäuse gerichtet war. Die Mäuse wurden in zwei Gruppen aufgeteilt: Eine Gruppe wurde für die Aufmerksamkeit auf den taktilen Reiz belohnt, die andere für den visuellen Reiz.

Während der ersten Trainingsphase wurde ein traditioneller Ansatz verwendet, bei dem ein Reiz belohnt und der andere nicht belohnt wurde. Diese Struktur könnte die Mäuse dazu bringen, zu lernen, dass der nicht belohnte Reiz nicht wichtig war. Um die Aufgabe anspruchsvoller zu gestalten, haben wir später eine komplexere Version der Aufgabe eingeführt, bei der die Zeitpunkte der Reize völlig zufällig waren.

#Verhalten der Mäuse messen

Wir haben gemessen, wie die Mäuse auf die Reize reagierten, indem wir ihr Lecken beobachtet haben, was auf die Erwartung einer Belohnung hinwies. Wenn sie die Belohnung erwarteten, leckten sie zum Zeitpunkt des Reizes mehr. Wir haben einen Leckindex berechnet, um ihre Reaktionen zu quantifizieren. Ein positiver Index bedeutete, dass sie während des Reizes mehr leckten, während ein negativer Index bedeutete, dass sie weniger leckten, was darauf hinwies, dass sie ihn ignorierten.

In der Formungsphase lernten die Mäuse, in Reaktion auf den visuellen Reiz zu lecken, wenn dieser eine Belohnung anzeigte, während sie lernten, das Lecken in Reaktion auf den Luftstoss einzustellen, da dieser keine Belohnung anzeigte.

In der komplexeren Version der Aufgabe lernten Mäuse, die auf den visuellen Reiz konditioniert waren, den Luftstoss zu ignorieren, während die taktile Gruppe schnell lernte, dem Luftstoss Aufmerksamkeit zu schenken, ohne auf den visuellen Reiz zu reagieren.

#Aktivität in den thalamischen Regionen des Gehirns

Sobald die Mäuse gut trainiert waren, haben wir Elektroden verwendet, um die Aktivität von Neuronen in POm und LP während der Durchführung der Aufgabe aufzuzeichnen. Wir haben unterschiedliche Aktivitätsmuster bemerkt, je nachdem, ob die Mäuse trainiert wurden, auf visuelle oder taktile Reize zu reagieren.

Beim taktilen Konditionieren reagierten viele Neuronen in POm stark auf den Luftstoss, aber nicht auf den visuellen Reiz. Im Gegensatz dazu zeigten visuell konditionierte Mäuse mehrere Neuronen in POm, die auf den visuellen Reiz reagierten, aber weniger, die auf den Luftstoss reagierten. Das zeigt, dass das Training einen signifikanten Einfluss darauf hat, wie diese Regionen verschiedene Reize verarbeiten.

#Verständnis sensorischer und nicht-sensorischer Reaktionen

Wir haben auch beobachtet, dass sowohl POm- als auch LP-Neuronen während des Belohnens erhöhte Aktivität zeigten, unabhängig von der Art der Aufgabe. Das deutet darauf hin, dass der Thalamus nicht nur sensorische Informationen verarbeitet, sondern auch an allgemeiner Erregung und Aufmerksamkeit beteiligt ist.

Um auszuschliessen, ob die Aktivität einfach das Ergebnis von Bewegung oder Erregung war, haben wir Berechnungen verwendet, um diese Faktoren zu berücksichtigen. Selbst nach Berücksichtigung der Bewegung blieb die sensorische Reaktion in POm signifikant, was zeigt, dass diese Neuronen tatsächlich auf die im Experiment präsentierten sensorischen Reize reagierten.

#Einfluss der Konditionierung auf LP

Wir haben festgestellt, dass die Aktivität in LP auch je nach Trainingsart variierte. Beim taktilen Konditionieren reagierten die meisten LP-Neuronen auf den Luftstoss, ähnlich wie wir es in POm beobachtet hatten. Der Luftstoss war auffälliger, was zu stärkeren Reaktionen führte. In visuell konditionierten Mäusen hingegen haben wir eine Mischung von Reaktionen aufgezeichnet, bei der einige Neuronen sowohl auf den Luftstoss als auch auf den visuellen Reiz reagierten, während andere nur auf den visuellen Reiz reagierten.

Das spiegelt die Komplexität wider, wie verschiedene sensorische Eingaben um Aufmerksamkeit konkurrieren und wie Training die Reaktionen in LP basierend auf dem relevanten Reiz modifiziert.

#Lernen und Aufmerksamkeit

Unsere Studie legt nahe, dass diese thalamischen Regionen wichtig sind, um nicht nur sensorische Informationen zu verarbeiten, sondern auch um Aufmerksamkeit und Lernen zu verstehen. Die Fähigkeit der Mäuse, Ablenkungen zu ignorieren und sich auf relevante Signale zu konzentrieren, hebt die Plastizität des Gehirns hervor – seine Fähigkeit, sich basierend auf Erfahrungen anzupassen.

Die Verbindungen zwischen sensorischen Eingaben und Verhalten sind komplex, und die thalamische Aktivität scheint sowohl die Auffälligkeit der Reize als auch deren Relevanz für die jeweilige Aufgabe widerzuspiegeln. Das deutet auf eine anspruchsvollere Rolle dieser Bereiche in Entscheidungsprozessen hin.

#Fazit

Durch unser Training und unsere Experimente haben wir herausgefunden, dass sekundäre sensorische thalamische Kerne ihre Aktivität basierend auf Lernen und Aufmerksamkeit anpassen und unterschiedlich auf Reize reagieren, je nach ihrer Relevanz. Diese Ergebnisse werfen ein Licht auf die Mechanismen hinter Aufmerksamkeit und Lernen im Gehirn und eröffnen Möglichkeiten für weitere Forschung dazu, wie wir Informationen in einer Welt voller sensorischer Reize verarbeiten.

Zu verstehen, wie diese Regionen zusammenarbeiten, bietet wichtige Einblicke in die sensorische Verarbeitung und kognitive Funktionen bei Tieren, was letztendlich unser Wissen über ähnliche Mechanismen beim Menschen erweitern könnte.

#Zukünftige Richtungen

Während wir weiterhin die Rolle der sekundären sensorischen thalamischen Kerne erforschen, können zukünftige Studien spezifische Mechanismen untersuchen, die den beobachteten Veränderungen in der thalamischen Aktivität zugrunde liegen. Die Untersuchung, wie verschiedene Reize an verschiedenen anatomischen Standorten innerhalb dieser thalamischen Regionen interagieren, wird die Wege klarer machen, die in Aufmerksamkeit und Lernen involviert sind.

Darüber hinaus könnte das Experimentieren mit verschiedenen Verhaltensaufgaben und das Untersuchen, wie diese Regionen die kortikale Plastizität beeinflussen, zu einem vollständigeren Bild der Funktion des Gehirns führen. Solche Einblicke könnten Auswirkungen auf das Verständnis von Störungen der sensorischen Verarbeitung haben und Strategien zu deren Management entwickeln.