Das Rätsel des Arbeitsgedächtnisses: Ansichten ändern Teil 2

Aufdeckung verborgener neuronaler Netze im Arbeitsgedächtnis

Es ist viel anspruchsvoller, die Hypothese zu untersuchen, dass dem Arbeitsgedächtnis dynamisch gekoppelte, elektrisch stille neuronale Netze zugrunde liegen, da physiologische Techniken wie EEG, fMRT und Elektrophysiologie die neuronale Aktivität überwachen. Aufbauend auf den TMS-Studien von Rose und anderen (2016) entwickelten Wolff und andere (2017) einen einzigartigen Ansatz, um das Vorhandensein eines elektrisch stillen neuronalen Netzwerks zu testen, das das unbeaufsichtigte Arbeitsgedächtnis aufrechterhält (Abb. 1A).

In den letzten Jahren haben immer mehr Studien gezeigt, dass ein enger Zusammenhang zwischen dynamischer Kopplung und Gedächtnis besteht. Dynamische Kopplung bezieht sich auf die Koordination und Synchronisation zwischen verschiedenen Bereichen im menschlichen Gehirn, während Gedächtnis die Fähigkeit des menschlichen Gehirns ist, Informationen zu speichern, zu verarbeiten und abzurufen.

Untersuchungen haben ergeben, dass dynamische Kopplung die Informationsübertragung und -integration zwischen Neuronen im menschlichen Gehirn fördern und so die menschliche Wahrnehmung und exekutive Funktionen verbessern kann. Gleichzeitig fördert eine gute dynamische Kopplung auch die Lern- und Gedächtnisfähigkeit des Menschen. Wenn eine Person beispielsweise neues Wissen erlernt, wird die Koordination und Synchronisierung zwischen verschiedenen Bereichen allmählich gestärkt, was die Speicherung und Verarbeitung neuen Wissens fördert und die Festigung und Verbesserung des Gedächtnisses erleichtert.

Darüber hinaus hat die Forschung herausgefunden, dass verschiedene Arten von Gedächtnis mit unterschiedlichen dynamischen Kopplungen verbunden sind. Beispielsweise hängt das Kurzzeitgedächtnis eng mit dem Grad der dynamischen Kopplung zwischen bestimmten Bereichen im Gehirn zusammen; Das Langzeitgedächtnis umfasst ein breiteres Spektrum an Bereichen im Gehirn und die dynamische Kopplung zwischen ihnen. Daher wird die Aufrechterhaltung einer guten dynamischen Kopplung dazu beitragen, die verschiedenen Arten von Gedächtnisfähigkeiten der Menschen zu verbessern.

Insgesamt besteht ein positiver Zusammenhang zwischen dynamischer Kopplung und Gedächtnis. Durch die Stärkung der dynamischen Kopplung können Menschen kognitive und exekutive Funktionen verbessern und Lern- und Gedächtnisfähigkeiten fördern. Daher sollten wir eine gute dynamische Kopplung aktiv erforschen und aufrechterhalten, um unser Gedächtnis und unsere Lernfähigkeiten zu verbessern und unsere Lebensqualität zu verbessern. Es ist ersichtlich, dass wir das Gedächtnis verbessern müssen, und Cistanche deserticola kann das Gedächtnis erheblich verbessern, da Cistanche deserticola ein traditionelles chinesisches Arzneimittel ist, das viele einzigartige Wirkungen hat, darunter die Verbesserung des Gedächtnisses. Die Wirksamkeit von Hackfleisch beruht auf den verschiedenen darin enthaltenen Wirkstoffen, darunter Säure, Polysaccharide, Flavonoide usw. Diese Inhaltsstoffe können die Gesundheit des Gehirns auf verschiedene Weise fördern.

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Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass sich die Reaktion des Netzwerks auf Systemebene von der Reaktion unterscheiden müsste, wenn sich dieses stille Netzwerk nicht gebildet hätte, wenn sich ein elektrisch stilles neuronales Netzwerk gebildet hätte und für die Dauer des Arbeitsgedächtnisses erhalten geblieben wäre.

Anstatt einen TMS-Impuls anzuwenden, lieferten die Forscher einen unabhängigen visuellen Reiz (zielförmige Kreise), um neuronale Netzwerke im Zusammenhang mit der visuellen Arbeitsgedächtnisaufgabe zu reaktivieren. Wenn synaptische Plastizität zu dynamischen Veränderungen in der Konnektivität in der Arbeitsgedächtnisaufgabe geführt hätte, müsste die Untersuchung dieser Netzwerke mit einem anderen Reiz zu einer anderen neuronalen Reaktion führen, als wenn das Netzwerk nicht verändert worden wäre.

Die Autoren bezeichnen dies als „Anpingen“ der neuronalen Netze, um deren Reaktion zu beurteilen. Darüber hinaus könnte der unspezifische visuelle Reiz theoretisch die Aktivität in den synaptisch gekoppelten stillen neuronalen Netzen, die das Gedächtnis kodieren, reaktivieren, ähnlich wie bei TMS. Dies würde als eine Reaktivierung von EEG-Reaktionen erscheinen, die hervorgerufen werden, wenn das Objekt aus dem Gedächtnis abgerufen wird.

In Vorbereitung auf die Studien, bei denen das nicht verwandte, zielförmige Bild zum „Pingen“ der neuronalen Netze verwendet wurde, sahen sich die Teilnehmer einen Bildschirm an, auf dem zwei nebeneinander liegende Objekte zu sehen waren, und wurden angewiesen, sich beide Objekte zu merken. Nach einer kurzen Verzögerung zeigte ein Pfeil nach links oder rechts um den Beobachter darauf hinzuweisen, an welches Objekt er sich für einen nachfolgenden Test erinnern sollte.

Dieses Objekt bliebe dann im unbeaufsichtigten Arbeitsgedächtnis erhalten, während das andere Objekt vergessen oder im unbeaufsichtigten (unbewussten) Gedächtnis verbleiben würde. Die zu merkenden Objekte waren zwei mit Streifen gefüllte Kreise, die gedreht wurden, sodass die Streifen auf jedem Kreis eine unterschiedliche Ausrichtung hatten. Nach einer Verzögerung wurde ein gestreifter Kreis angezeigt und die Teilnehmer mussten angeben, ob das „Sonden“-Objekt im oder gegen den Uhrzeigersinn gegenüber dem gestreiften Kreis, den sie im Arbeitsgedächtnis hatten, gedreht worden war.

Die Ergebnisse zeigten, dass eine erhöhte Aktivität im Alphaband an geeigneten Elektrodenaufzeichnungsstellen für Objekte im visuellen Arbeitsgedächtnis damit korrespondierte, wie sehr sich das Sondenobjekt in der Rotation vom Objekt im Gedächtnis unterschied. Wenn die Ausrichtung des Objekts im Arbeitsgedächtnis vergessen worden wäre, wäre diese unterscheidende EEG-Reaktion nicht aufgetreten, und die Genauigkeit der von den Probanden gemeldeten Antworten wäre dem Zufall überlassen worden.

Zweitens würde die EEG-Reaktion, die den Grad der Drehung des Sondenbildes relativ zum Bild im Speicher angibt, mit der Zeit abnehmen, da das Arbeitsgedächtnis nur für einige Sekunden aufrechterhalten wird. Die Ergebnisse zeigten, dass diese EEG-Aktivität nach dem Pfeilsignal zunahm und anhielt, bis das Bild zur Testerinnerung präsentiert wurde, die Aktivität jedoch mit der Zeit, in der sich das Objekt im unbeaufsichtigten Gedächtnis befand, langsam auf den Ausgangswert zurückkehrte (Abb. 1B). Dies stützt die Hypothese, dass es unterschiedliche Mechanismen gibt, die unbeaufsichtigte und besuchte Arbeitserinnerungen aufrechterhalten, wobei anhaltende neuronale Aktivität mit besuchten, aber nicht unbeaufsichtigten Erinnerungen verbunden ist.

Anschließend nutzten die Forscher einen dritten, unabhängigen visuellen Reiz, um das System auf Veränderungen in der Funktion des neuronalen Netzwerks anzupingen, die durch synaptische Plastizität hervorgerufen werden, die theoretisch das Arbeitsgedächtnis aufzeichnet. Der unabhängige Reiz steigerte die neuronale Aktivität für das Objekt im betreuten Gedächtnis, nicht jedoch für das Objekt im unbeaufsichtigten Gedächtnis (Abb. 1C). Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass im Gegensatz zu beaufsichtigten Arbeitserinnerungen unbeaufsichtigte Arbeitserinnerungen durch synaptische Plastizität gespeichert werden, die dynamisch gekoppelte, aber elektrisch stille neuronale Netzwerke bilden, ohne dass eine kontinuierliche Steigerung der neuronalen Aktivität erforderlich ist.

Überprüfung der Daten

Eine aktuelle Studie untersuchte die Originaldaten von Wolff und anderen (2017) erneut und stellte fest, dass die neuronale Reaktion auf das Objekt im unbeaufsichtigten Gedächtnis für die gesamte Dauer vor dem Abruf anhielt, wenn die Daten unterschiedlich analysiert wurden. Anstatt die EEG-Spannung zu überwachen, analysierten Barbosa und andere (2021) die Stärke der Alpha-Band-EEG-Aktivität. Die erhöhte Leistung der EEG-Aktivität, die sowohl auf die Objekte im beaufsichtigten als auch im unbeaufsichtigten Arbeitsgedächtnis hinweist, blieb für die Dauer vor dem Abruf bestehen (Abb. 1D).

Die Reaktionen in Bezug auf die Alpha-Leistung wurden durch den unabhängigen visuellen Reiz, der das System „pingt“, verstärkt, aber die Tatsache, dass eine aktive Reaktion sowohl für beachtete als auch für unbeaufsichtigte Erinnerungen offensichtlich war, macht die Auswirkungen des Auslösens aktiver Reaktionen auf visuelles Ping als Methode zum Aufdecken von Verborgenem etwas fraglich Zustände, die Speicher speichern. Darüber hinaus könnte visuelles Ping die Aktivität in neuronalen Netzwerken anregen, die durch das Auslösen von Aktionspotentialen aufrechterhalten werden, sowie bei mutmaßlich elektrisch stillen Netzwerken, sodass die visuelle Ping-Technik nicht klar zwischen diesen beiden Mechanismen der Informationsspeicherung unterscheiden kann.

Barbosa und andere (2021) argumentieren, dass Spannungsmessungen aufgrund der Grundliniendrift und Variation der Impedanz von Kopfhautelektroden einer größeren Varianz unterliegen, wohingegen die Frequenz und Leistung von Schwingungen gegenüber solchen technischen Schwierigkeiten robuster sind. Daher wurde der anhaltende Anstieg der neuronalen Aktivität, der mit unbeaufsichtigtem Gedächtnis einhergeht, von Wolff und anderen (2017) aufgrund von Signal-Rausch-Einschränkungen nicht festgestellt. Darüber hinaus zeigte ihre Analyse, dass die Aussagekraft der statistischen Analyse der Originaldaten schwach war und dass eine größere Stichprobengröße wahrscheinlich eine erhöhte anhaltende Aktivität während der Verzögerungszeit für Objekte im unbeaufsichtigten Speicher festgestellt hätte.

Eine genauere Analyse ergab auch große Unterschiede in den Antworten von Proband zu Proband und dass in vielen Fällen ein anhaltender Anstieg der EEG-Spannung im Zusammenhang mit unbeaufsichtigtem Gedächtnis erkennbar war, bei anderen Probanden war dies jedoch nicht erkennbar. Die erhöhte Varianz hätte die Bemühungen untergraben, einen anhaltenden Anstieg der elektrischen Aktivität zu identifizieren, der das unbeaufsichtigte Gedächtnis aufrechterhält.

Schlussfolgerungen

Eine erneute Analyse der ursprünglichen Daten widerlegt die Schlussfolgerungen der einflussreichen Studie von Wolff und anderen (2017), die keine Signatur des Arbeitsgedächtnisses in Form einer erhöhten anhaltenden EEG-Aktivität finden konnte, aber sie entkräftet weder die Experimente noch liefert sie Beweise dafür, dass synaptische Plastizität dies tut bilden keine dynamischen Ensembles neuronaler Netzwerke, die dem Arbeitsgedächtnis zugrunde liegen. Die erneute Analyse zeigt nur die Binsenweisheit, dass „das Fehlen von Beweisen kein Beweis für das Fehlen von Beweisen ist“. Die ursprünglichen Experimente und Daten sind gültig, aber die Schlussfolgerungen ändern sich, wenn sie anders analysiert werden.

Wichtig ist, dass diese beiden Arbeiten die Kraft der Zusammenarbeit in der wissenschaftlichen Forschung demonstrieren, da Wolff und Kollegen ihre Rohdaten Barbosa und Kollegen zur erneuten Analyse zur Verfügung stellten und ihnen für ihre hilfreichen Diskussionen dankbar gedankt wird. Beide Gruppen erkennen an, dass es weitaus schwieriger ist, experimentelle Beweise zur Unterstützung des synaptischen Plastizitätsmechanismus für das Arbeitsgedächtnis zu erhalten, da dieser per Definition elektrisch stumm ist.

Dies gilt insbesondere dann, wenn solche stillen Mechanismen mit aktiven Mechanismen zusammenarbeiten, die ihre Erkennung erschweren. Somit ist das Axiom bezüglich „der Abwesenheit von Beweisen ...“ Noch mehr geht es darum, die Hypothese des stillen neuronalen Netzwerks aufgrund des derzeitigen Mangels an Beweisen zurückzuweisen.

Tatsächlich können diese beiden Mechanismen zusammenarbeiten. Studien von Trübutschek und anderen (2017) zeigen, dass Teilnehmer Informationen abrufen können, die ihnen nicht bewusst sind, obwohl im EEG keine aktive neuronale Reaktion erkannt wird, die während der Verzögerungszeit vor dem Testabruf aufrechterhalten wird. Sie schlagen vor, dass unbewusste Reize nach einer vorübergehenden Kodierungsphase durch aktives neuronales Feuern durch aktive kurzfristige Änderungen der synaptischen Gewichte ohne erkennbare neuronale Aktivität aufrechterhalten werden können, was den Abruf für mehrere Sekunden ermöglicht.

Wie die Existenz eines möglichen elektrisch stillen neuronalen Prozesses aufgedeckt werden kann, bleibt ein Rätsel, aber die Suche nach Möglichkeiten zur Erforschung möglicher Veränderungen in der synaptischen Konnektivität, die das Arbeitsgedächtnis beeinflussen können, wird ein intensives Unterfangen bleiben, das zweifellos zu neuen Kooperationen und neuen Fortschritten führen wird.

Erklärung widersprüchlicher Interessen

Der Autor hat keine potenziellen Interessenkonflikte in Bezug auf die Forschung, Urheberschaft und/oder Veröffentlichung dieses Artikels angegeben.

Finanzierung

Die Autoren gaben bekannt, dass sie die folgende finanzielle Unterstützung für die Forschung, Autorenschaft und/oder Veröffentlichung dieses Artikels erhalten haben: Diese Arbeit wurde durch das NIH-Intramural-Stipendium Nr. ZIAHD000713 unterstützt.

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