UCSF Wissenschaftler haben festgestellt, dass das Gehirn von Ratten kann lernen, lernen, einen alternativen Weg der Verarbeitung Veränderungen in der eines Tons. Die Entdeckung, sagen sie, hat Potenzial für die Behandlung von Hörverlust, Autismus und anderen sensorischen Behinderungen beim Menschen. Es gibt auch Hinweise, sagen sie, über den Prozess des Lernens und die Art, wie wir die Welt wahrnehmen.
"Wir haben eine sehr grundsätzliche Frage", sagt Daniel B. Polley, PhD-, Blei-Autor der Studie. "Wenn wir bemerken eine solide immer lauter, was passiert in unserem Gehirn, so dass wir wissen, dass es immer lauter? "
Polley ist ein Postdoc Research Fellow im Labor von leitenden Autor Michael M. Merzenich, PhD, Co-Direktor des Coleman Memorial Laboratory in der UCSF Keck Center for Integrative Neuroscience und UCSF Professor für Psychiatrie.
Die Studie wurde vor kurzem veröffentlicht in Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften (16. November, 2004).
"Dies ist eine sehr alte Idee," stellt fest, Polley. "Wie beziehen sich die bigness der ein Anreiz für die bigness ihrer internen Repräsentation im Gehirn. "Im Laufe der Jahrhunderte, Philosophen und Wissenschaftler haben zusammen ein Bild davon, wie unser Gehirn Modell der Welt durch den Mechanismus von unseren Sinnen. Physikalische Reize wie Licht-, Ton-, und berühren Sie werden von unseren Sinnesorgane - Augen, Ohren, Haut und - in elektrische Signale, die verarbeitet werden, durch die Nervenzellen in verschiedenen Bereichen der Gehirn. Da diese Neuronen Feuer, wir sehen, hören und fühlen. Wenn der optische oder akustische Veränderungen in der Intensität, unsere Neuronen Feuer schneller oder langsamer in direktem Verhältnis zu der Änderung. Das Verhältnis variiert in Abhängigkeit von der Sinn, sondern konstant ist für jeden Sinn: die ein lauter Ton, desto schneller die Neuronen im auditorischen Kortex Feuer.
Aber jetzt, dass Bild hat sich geändert. Polley ausgebildete zwei Gruppen von Ratten zu werden "Experten" bei Diskriminierung zwischen sehr kleinen Unterschiede in der Lautstärke - die Fähigkeit, dass ungeübte Ratten nicht haben. Er sah, wie der Experte Ratten verarbeitet Veränderungen in der Lautstärke im Vergleich zu zwei Gruppen von ungeschulten Ratten, und festgestellt, dass die auditorischen Kortex in der Experte Ratten enthaltenen Gruppen von Neuronen, die sich selektiv für bestimmte Lautstärke - sie gefeuert nur auf diesen Ebenen und waren ruhig anderenfalls. Diese physiologischen Veränderungen im Gehirn, so genannte "Plastizität", war zu beobachten, bei Menschen und Tieren, die gelernt haben, neue Fähigkeiten.
Dann kam der Durchbruch Entdeckung: der Experte Ratten wurden Verarbeitung Volumen Änderungen in eine neue und andere Art. In der Gehirne der ungeübte Ratten, die neuronale Reaktion stieg wie der Ton wurde lauter und lauter, als die klassischen Modell vorhersagen würde. In den Experten-Ratten jedoch, die allgemeine Response-Rate der selektiven Neuronen erhöht, bis die Klang erreicht ein Lautstärke von 40 Dezibel - und dann nivelliert ausschalten, während die Lautstärke erhöht 100-fache, von 40 bis 80 Dezibel. "Auf den ersten Blick, das war nicht gut", bemerkt Polley: Wenn die Neuronen wurden nicht erhöht ihre Entlassung Rate, Wie wurden die Experten Ratten die Eintragung der Erhöhung des Volumens? David T. Blake, PhD, UCSF Assistent Forschung Physiologe und ein Co-Autor der Studie, die Rätsel geknackt. Statt der Suche nach einer einfachen Erhöhung der Brenn-Rate, Blake messen die Rate , bei dem der Brennvorgang verändert, und zwar entweder nach oben oder unten. Dieser Satz erwies sich als in genauem Verhältnis zum Anstieg des Volumens -- und an der gleichen Verhältnis wie das Brennen Rate erhöhen. Tests bestätigt, dass die untrainierten Ratten "Gehirne waren nicht registrieren Volumen erhöht sich in diesem neuen Weg, es wurde gelernt, von der Experten-Ratten, wie sie sich besser auf unterscheidende Veränderungen in der Volumen.
Polley dem Schluss, "Es ist immer noch der Verhältnismäßigkeit zwischen Stärke Reaktion im Gehirn und die Anreize zu geben. Aber jetzt Neuronen sind viel mehr selektiv, und kann Sound-Intensität mit abnehmender Brenn-Raten sowie die Steigerung der Brenn-Sätze. " Dieses System ist "optimal" für die Darstellung von subtilen Veränderungen in der Lautstärke, Gründe Polley, denn "es gibt zwei Richtungen zu Wandel durch, "die es viele Male stärker als eine einfache Brenn-Rate erhöhen." Und es wird optimiert durch Lernen. "
Die Entdeckung hat mehrere Auswirkungen. Aus praktischer Sicht: "Ich denke, es hat einiges zu bieten", sagt Christoph E. Schreiner, UCSF Professor für Psychiatrie und ein Co-Autor der Studie. Insbesondere könnte es eine Technik für Umschulung Menschen mit teilweiser Hörverlust, die oft nicht hören, sehr weich klingt, haben aber normale Anhörung bei höheren Volumen Ebenen.
"Es ist eine sehr steile Volumen-Kurve, die von leise bis sehr laut rechts weg, und die Menschen haben eine harte Zeit mit, dass" Schreiner erklärt, "vor allem für die Anhörung-Hilfe-Benutzer." Allerdings werden sie - oder ihre auditiven cortexes - könnte eine Ausbildung zu mehr sensibel auf geringfügige Änderungen Volumen an der unteren Schwelle der mündlichen Verhandlung, "so dass diese steilen Übergang nicht die Mühe sie mehr. "Ebenso, eine solche Ausbildung könnte der Wert zu tief hörgeschädigte Menschen mit Cochlea-Implantaten, die Ersatz für die Funktion des Innenohrs, aber sind nicht so empfindlich auf kleine Änderungen Band.
Eine weitere Gruppe, die möglicherweise dazu beigetragen, ist Kinder mit sensorischen-Modulation Erkrankungen, darunter auch Kinder mit Autismus. Diese Kinder sind "mit überwältigender Mehrheit sensiblen" auf Veränderungen in ihrer Umwelt, erklärt Polley. "Also, wenn mit einer moderaten Impulse - ein Sound, ein Hauch, ein Funkeln von Licht - wie sie reagieren, wenn ihre gesamte sensorische Systeme geworden sind überwältigt. Was könnte notwendig sein, ihr Gehirn ist größer Selektivität. "Potenziell könnten sie geschult werden, um kleinere Grad der Veränderung in ihrer Umgebung. Dabei als schrittweise, diese Änderungen würden weniger überwältigend.
Aus psychologischer Sicht, die Studie sagt etwas darüber, wie man erwerben und neue Fähigkeiten zu verfeinern. Wenn wir sprechen von Ausbildung eines Musikerstuhl Ohr oder ein Maler 's Auge, spekuliert Polley, wir können auf die stellvertretenden sensorischen Verarbeitung System von der Experten-Ratten. "Dies ist implizites Lernen", sagt er. "Wie können wir lernen, die Fähigkeiten unterscheiden, dass ein Handwerker aus einem anderen Händler? Diese Prozesse sind zweifellos die in diese Art des Lernens Verhalten, und sie am wahrscheinlichsten sind verantwortlich für Know-how. Wir freuen auf die neuronale Substrat für diese Prozesse des lebenslangen Lernens. "
Ein weiterer Co-Autor der Studie war Marc A. Heiser, ein Student in der MD / PhD Neuroscience Graduate Program am UCSF.
Die Forschung wurde von der Coleman Fonds, die Sooy Fonds, die Zuschüsse aus dem National Institutes of Health, und ein Nationales Recherche-Service Fellowship Award.
Kontakt: Jennifer O'Brien
jobrien@pubaff.ucsf.edu
415-476-2557
University of California - San Francisco