Jede Nacht durchlaufen in Milliarden von Gehirnen, in den Schädeln von Säugetieren und Vögeln, langsame Wellen der Aktivität die Neuronen in einem Rhythmus, der sich seit Jahrtausenden wiederholt. Es ist der gemeinsame Rhythmus von Gehirnen in ihrem tiefsten Schlaf.
Die Allgegenwart und Gleichförmigkeit dieser „langsamen Wellen“ spricht für eine tiefgreifende Bedeutung, sagt HBP-Wissenschaftler Maurizio Mattia vom Istituto Superiore di Sanità (dem italienischen NIH) in Rom.
Er beschreibt den Moment, in dem er erkannte, dass dies ein gemeinsamer Rhythmus in der Biologie ist. „Als Physiker dachte ich, als ich das sah, das ist nicht Biologie, das ist Physik. Ich dachte: Das ist absolut merkwürdig. Dies ist der Fußabdruck von etwas, das sehr, sehr gut funktioniert. Etwas, das über alle Arten und die gesamte Evolution hinweg benötigt wird.“
Slow Waves treten auf, wenn sich das Gehirn im Tiefschlaf befindet, und wurden bei Säugetieren, Vögeln und möglicherweise auch bei Reptilien beobachtet. Mattia beschreibt die Wellen als Aktivitätskaskaden, die sich mit einem gleichmäßigen Rhythmus (etwa 1 Hz, über alle Arten hinweg) durch das Gehirn bewegen.
Diese rhythmischen Oszillationen treten auf der Ebene einzelner Neuronen auf, aber wenn man sie mit dem iEEG (intrakranielles EEG) im Gehirn betrachtet, erscheinen sie wie eine Welle, die sich mit etwa 30 mm pro Sekunde durch das Gehirn bewegt.
„Sie sind nicht wie die Wellen, die man im Wasser sieht. Man hat ein erregbares Medium, also ist es wie ein Feuer im Wald. Wenn du das Feuer entfachst, breitet es sich wie eine Welle aus, bis du das ganze Holz verbrannt hast, und dann hört es auf. Das ist wie die Zeit der Inaktivität im Gehirn, aber der Wald wächst wieder und dann gibt es eine neue Welle. Das ist es, was im Gehirn passiert. Es nutzt alle verfügbaren Ressourcen, um die Aktionspotenziale der Neuronen abzufeuern, und dann braucht man eine Erholungszeit. Feuer und Stille, Feuer und Stille“
Die vollständige Funktion und der Zweck dieser langsamen Wellen ist noch nicht vollständig geklärt, aber sie spielen eindeutig eine wichtige Rolle. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass dieser Rhythmus notwendig ist, um ein Gleichgewicht im Gehirn zu reproduzieren. Während des Wachseins produziert das Gehirn Abfallstoffe, und diese Wellen scheinen das Gehirn zu reinigen, sagt Mattia.
„Man kann überleben, ohne wach zu sein, aber man wird sicher sterben, wenn man nicht schläft. Man braucht diese langsamen Wellen, um das Gehirn in einem gesunden Zustand zu halten.“
Slow waves are also linked to memory and learning consolidation.
„The wave front is not a random wave front. Sie ist durch die Struktur, die sie im Gehirn vorfindet, definiert. Stellen Sie sich vor, viele Menschen laufen nebeneinander an einem Strand entlang. Wenn einige auf weichen Sand stoßen, werden sie langsamer gehen, andere werden auf dem härteren Sand schneller gehen. Dieser Unterschied in der Beschaffenheit des Geländes wird sich in der Form der Linie der gehenden Menschen widerspiegeln.
„Wenn wir also auf das Gedächtnis zurückkommen, folgen diese langsamen Wellen den Netzwerkpfaden und verstärken diese Pfade. Mehr oder weniger.“
In diesem Sinne ist es fast eine Art Wiederholung, ähnlich wie beim Lernen, das die während des Tages benutzten Bahnen durch viele Wiederholungen zu stärken scheint.
Mattia beschreibt die langsamen Wellen als eine Art Rosetta-Stein der Neurowissenschaften, wobei die verschiedenen Sprachen die verschiedenen Tiere sind und der Inhalt die langsamen Wellen. Deshalb sind sie nicht nur nützlich, um das Gehirn zu verstehen, sondern vielleicht auch, um Gehirnsimulationen zu erstellen. Können wir dieses gemeinsame Merkmal aller Gehirne in einer Simulation nachbilden?
„Wir versuchen zu verstehen, auf welche Weise ein bestimmtes Netzwerk von Neuronen, in-silico oder in-vivo, in der Lage ist, dieselben Rhythmen zu erzeugen, und wenn wir dies in verschiedenen Kontexten tun, können wir eine Maschine bauen, die sich wie ein echtes Gehirn verhalten kann“, sagt Mattia.
„Wenn man einmal ein Gehirn in-silico mit diesen Rhythmen geschaffen hat, ist dies ein guter Ausgangspunkt, um zu sehen, wie es sich verhält, wenn es aufgeweckt wird.“
Maurizio Mattia arbeitet in der Komponente „Systems and Cognitive Neuroscience (Subproject 3)“ des Human Brain Project.