Dennis O'Leary des Salk Institute war der erste Wissenschaftler , um zu zeigen , dass die grundlegende funktionale Architektur des Cortex , den größten Teil des menschlichen Gehirns , wurde genetisch während der Entwicklung bestimmt. Aber wie so oft macht in der Wissenschaft , die Beantwortung einer Frage auf viele andere geöffnet . O'Leary fragte sich, was wenn das Layout des Kortex wurde nicht festgelegt ? Was wäre, wenn sie verändert wurden ?
In der August-Ausgabe von Nature Neuroscience , O'Leary , Inhaber der Vincent J. Coates Lehrstuhl für Molekulare Neurobiologie am Salk und Andreas Zembrzycki , Postdoc in seinem Labor zeigen, dass die Änderung der kortikalen Layout möglich ist, und dass diese Veränderung produziert signifikante Änderungen in den Teilen des Gehirns, die mit dem Kortex zu verbinden , und werden ihre funktionellen Eigenschaften . Diese Mechanismen können im Herzen der neuronalen Entwicklungsstörungen wie Autismus -Spektrum-Störungen (ASD) zu legen.
Die menschlichen Kortex ist in höheren Funktionen wie Sinneswahrnehmung , räumliches Denken , bewusstes Denken und Sprache beteiligt. Allen Säugetieren Bereichen der Hirnrinde , die die Sinne zu verarbeiten , aber sie haben sie in unterschiedlichen Anteilen . Mäuse , die Lieblingslabortier, sind nachtaktiv , so dass sie eine große somatosensorischen Bereich (S1) in der Hirnrinde , für somatosensation verantwortlich , oder Gefühle des Körpers, die Berührung, Schmerz , Temperatur und Propriozeption sind .
" Der Bereich Layout des Kortex direkt bezieht sich auf die Lebensweise eines Tieres ", sagt Zembrzycki . "Bereiche sind größer oder kleiner je nach den funktionellen Anforderungen an das Tier , nicht die physische Größe der Körperteile , von denen sie Eingaben empfangen kann. "
Auch bei relativen Größen zu anderen in Kraft gesetzt Arten kann Bereiche im Kortex des Menschen stark zwischen Individuen unterscheiden . Solche Änderungen können zu Grunde liegen , warum manche Menschen scheinen von Natur aus besser auf bestimmte Wahrnehmungsaufgaben wie der Kollision mit einem Baseball oder Erkennen der Details der visuellen Illusionen zu sein . Bei Patienten mit neurologischen Störungen , gibt es eine noch größere Bandbreite von Unterschieden.
Die Neuronen in S1 in funktionelle Gruppen genannt Körper Karten entsprechend der Dichte von Nervenenden in der Haut angeordnet ist; Somit gibt es eine größere Gruppe von Neuronen auf die Haut auf dem Gesicht gewidmet , als die Haut an den Beinen. Neurochirurgen Wilder Penfield berühmt illustriert diese Idee als " sensorische Homunculus ", einer Karikatur überproportional große Körperteile wölbt über dem Kortex. Mäuse haben eine ähnliche " mouseunculus " in ihrem Kortex bei der der Körper der Karte der Gesichts Whisker stark vergrößerte .
Diese Wahrnehmungszuordnungen sind nicht für das Leben . Zum Beispiel, wenn Innervation eines Körperteils wird schon früh im Leben während einer kritischen Phase vermindert, kann seine Karte schrumpfen , während andere Teile des Körpers Karte kann als Entschädigung zu wachsen. Dies ist eine Version von " Bottom-up- Plastizität ", in der äußeren Erfahrung betrifft Körper Karten im Gehirn.
Um kortikalen Layout studieren , O'Leary Team verändert ein regulatorisches Gen Pax6 , in der Hirnrinde bei Mäusen. Als Reaktion darauf wurde S1 viel kleiner , was zeigt, dass Pax6 reguliert seine Entwicklung. Sie fanden heraus, daß die Schrumpfung in der Folge S1 betroffen anderen Regionen des Gehirns, die sensorische Informationen fließen in die Rinde , aber noch interessanter ist , ist es auch die Körper Karten in diesen subkortikalen Hirnregionen verändert , Kippen auf die Idee , die nur einmal etabliert , konnte diese Hirnregionen durch äußere Erfahrungen geändert werden. Sie nannten diese bisher unbekannte Phänomen "top down Plastizität . "
" Top-down Plastizität ergänzt in umgekehrter Weise die bekannte Bottom-up- Plastizität durch sensorische Deprivation induziert ", sagt O'Leary .
Normalerweise wird der Körper Karte in S1 Kortex spiegelt ähnliche Einrichtung Karten im Thalamus , den Hauptschaltstation für die sensorische Information , die aus dem Körper somatosensation Peripherie zum S1 Kortex durch ausgehende neuronale "Drähte" , wie Axone bekannt trägt . In dem neu entdeckten top-down Plastizität , wenn S1 wurde kleiner gemacht , die sensorische Thalamus , die in sie speist auch nachträglich in der Größe reduziert .
Aber die Geschichte hat ein faszinierender Twist. " Nach den heutigen Stand unserer Kenntnisse über die Entwicklung der Sinneskreise, die erwarteten wir, dass alle Körperdarstellungenin S1 wäre ebenso betroffen sein , wenn S1 wurde kleiner gemacht", sagt O'Leary . "Es war eine Überraschung für uns , dass nicht nur der Körper Karte kleiner, aber einige Teile davon wurden vollständig fehlt . Die spezifische Deletion von Teilen des Körpers Karte durch übertriebenen Wettbewerb um kortikale Ressourcen durch S1 Größe vorgegebene Stellung und spielte zwischen die Verbindungen von Thalamus Neuronen, die diese Karten in der Rinde zu bilden. "
"Um es in Laien ausgedrückt :" Wenn Sie snooze , Sie verlieren , ' ", ergänzt Zembrzycki . " Axone , die später zu unterscheiden sind vorzugsweise von der kleineren S1 , die zur spezifischen Deletion der Körperteile , die sie darstellen ausgeschlossen. "
" Der wesentliche Punkt über Top-down- Plastizität ist, dass die Änderung der Größe und Musterung der sensorischen Kortex führt zu passenden Änderungen in der sensorischen Thalamus durch die selektive Tod Thalamus Neuronen, die normalerweise Körperteile fehlen S1 darstellen , " Zembrzycki erstellt. " Daher einen stromabwärtigen Teil des Gehirns wird repatterned die Architektur in S1 übereinstimmen , wodurch aberrante Verdrahtung des Gehirns, die wichtige Folgen für die sensorische Wahrnehmung und Funktion hat . Zum Beispiel haben autistics sehr robust Abnormalitäten in berühren und andere Merkmale somatosensation . "
O'Leary und Zembrzycki glauben, dass dieses Verfahren bietet bedeutende Einblicke in die Entwicklung von Autismus und anderen neuronalen Erkrankungen. " Eines der Markenzeichen des autistischen Gehirn früh in der Entwicklung ist der Bereich Profil scheint anormal zu sein , mit beispielsweise den frontalen Kortex vergrößert , während die gesamte Rinde behält seine normale Größe ", sagt O'Leary . " Es ist dann implizit , dass andere kortikale Bereiche hinter den Stirnflächen , zB S1 positioniert , würde in der Größe reduziert werden , und Thalamus würde Mängel, die in sensorischen Kortex überein zeigen , wie sich gezeigt hat, bei autistischen Patienten der Fall ist. "