Wissenschaftler finden die Quelle einer mysteriösen Gehirnwelle, die Gedächtnis und Kreativität steigern könnte

Das menschliche Gehirn ähnelt in gewisser Weise einem rudimentären Radio mit fünf Kanälen. Elektrische Signale von Neuronen werden im gesamten Gehirn koordiniert und erzeugen Schwingungen, die als Gehirnwellen bekannt sind. Jede Welle entspricht dem Zustand des Gehirns. Manche kommen schnell und wütend, mit einer hohen Frequenz, die normalerweise dann auftritt, wenn wir wach sind und nachdenken. Andere sind entspannter und weisen eine langsamere Wellenbewegung auf, die während des tiefen, erholsamen Schlafs auftritt.

In gewisser Weise ändert das Gehirn im Laufe des Tages seine Kanäle, um unseren inneren Geisteszustand an die Anforderungen von außen anzupassen – obwohl die Kanäle jederzeit überlaufen können.

Aber es gibt einen mysteriösen Außenseiter: eine Frequenz namens Theta-Wellen. Sie passieren, während wir wach sind oder schlafen. Seit Jahrzehnten stellen diese Wellen Neurowissenschaftler vor die Herausforderung, ihre Funktionen zu entschlüsseln. Theta-Wellen scheinen Mäusen beim Navigieren durch Labyrinthe zu helfen, unterstützen aber auch das Gedächtnis beim Menschen.

Es ist nicht nur akademische Neugier. Unsere Fähigkeit, sich in komplexen neuen Umgebungen zurechtzufinden und diese Erinnerungen zu behalten, nimmt mit zunehmendem Alter ab. Für Menschen mit Alzheimer ist es besonders hart. Indem wir die treibende Quelle der Theta-Wellen finden, könnten wir sie möglicherweise durch Neurostimulation oder andere Methoden verstärken, um den kognitiven Verfall zu verlangsamen.

Eine Studie in Neuron einen ersten Schritt gemacht. Dank Xbox und einigen virtuellen Einkaufszentren hat ein Team unter der Leitung von Dr. Arne Ekstrom von der University of Arizona tief in die Ursachen der Theta-Wellen eingetaucht. Für die Studie wurden Menschen mit Epilepsie rekrutiert, denen bereits Elektroden ins Gehirn implantiert waren, um die Ursache der Anfälle aufzuspüren.

Als sie sich eine frühere Route vorstellten, löste das Gehirn der Teilnehmer eine Theta-Aktivität aus, eine weitaus stärkere Reaktion, als wenn sie einfach mit einem Xbox-Joystick auf der Route navigiert würden.

Das Gehirn verfügt über eine Möglichkeit, mithilfe des Gedächtnisses intern Theta-Wellen zu erzeugen, sagte das Team.

Ein Ozean aus Gehirnwellen

Unser Gehirn arbeitet mit mehreren elektrischen Frequenzen. Mithilfe der Elektroenzephalographie (EEG) können wir die Geschwindigkeit und Abfolge der Gehirnaktivität aufzeichnen und deren relative Geschwindigkeit erfassen. Wie ruhiges oder stürmisches, unruhiges Wasser steigen und fallen diese Gehirnschwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen, die jeweils einen anderen Geisteszustand repräsentieren.

Betawellen beispielsweise werden ausgelöst, wenn das Gehirn vollständig beschäftigt ist – beispielsweise wenn Sie an einem Gespräch interessiert sind. Alphawellen sind langsamer und treten normalerweise dann auf, wenn Sie sitzen und sich ausruhen möchten.

Dann gibt es Theta-Wellen. Diese Wellen haben eine größere Amplitude und durchlaufen mit 3 bis 12 Hz pro Sekunde noch langsamer. Frühere Studien ergaben, dass sie auftauchen, wenn Sie sich nicht aufhalten: beim Fahren auf der Autobahn, bei einem langen Lauf oder unter der Dusche. Diese Wellen sind versuchsweise mit Kreativität verbunden – Ideen oder Lösungen kommen Ihnen plötzlich in den Sinn – oder wenn Sie Tagträumen oder meditieren.

Trotz jahrzehntelanger Forschung verstehen wir immer noch nicht wirklich, was sie kodieren. Während wir wach sind, finden sich Theta-Wellen hauptsächlich im Hippocampus, einer Gehirnregion, die sowohl für das Gedächtnis als auch für die Navigation von entscheidender Bedeutung ist. Daher ist es keine Überraschung, dass die Wellen bei Mäusen und Ratten auftreten, wenn sie versuchen, ihren Weg durch komplexe Labyrinthe zu finden, was darauf hindeutet, dass sie dabei helfen, Empfindungen und Bewegungen zu integrieren, wenn die Nagetiere eine neue Umgebung erkunden.

Überraschend ist, dass die Wellen auch bei völlig bewegungslosen Menschen auftreten auswendig lernen Listen mit Wörtern oder Bildern. Eine Studie fanden heraus, dass die Schwingungen entscheidend für die Verknüpfung verschiedener Konzepte waren. In einem anderen, Die künstliche Verstärkung der Theta-Wellen mit einem handelsüblichen Entrainment-Gerät – das eine Kombination aus Ton und Licht verwendet, um bestimmte Gehirnwellenbänder zu stimulieren – steigerte die Gedächtnisleistung beim Abrufen von Wörtern bei 50 Freiwilligen.

Es gibt einen direkten Zusammenhang zwischen Theta-Aktivität und Gedächtnisleistung, kam das Team der UC Davis damals zu dem Schluss.

Was bewirken also Theta-Wellen? Helfen sie uns, uns bei der Navigation durch die Welt zu orientieren? Oder helfen sie uns, wertvolle Erinnerungen festzuhalten?

Die neue Studie führte dazu, dass die beiden Theorien gegeneinander antraten.

Ein digitaler Einkaufsbummel

Das Team begann mit einer wertvollen Gruppe Freiwilliger: 12 Männer und Frauen mit Epilepsie, die leider nicht auf Medikamente ansprachen. Jedem von ihnen wurden bereits bis zu 17 Elektroden ins Gehirn implantiert, um nach der Ursache der Anfälle zu suchen.

Die Aufgabe selbst ist einer meiner schlimmsten Albträume: durch ein Einkaufszentrum zu navigieren. Hier machten sie es virtuell mit einem Xbox-Joystick, wobei das digitale Einkaufszentrum auf einem Laptop-Computer angezeigt wurde.

Der erste Schritt besteht darin, sich mit sechs verschiedenen Ladenfronten und ihren Standorten vertraut zu machen – zum Beispiel einer Eisdiele, einem Fotoladen und einem Comicladen –, als würde man zum ersten Mal persönlich durch ein neues Einkaufszentrum schlendern.

Nach zwei Runden wurden die Freiwilligen mit einer Navigationsaufgabe herausgefordert. Sie wurden in der Ego-Perspektive zu einem zufälligen Geschäft „teleportiert“ und mit einer Meldung auf dem Bildschirm aufgefordert, mithilfe des Xbox-Joysticks ein anderes Geschäft zu finden. Der Test endete, nachdem sie zu jedem Geschäft navigiert waren.

Dann kam die Gedächtnisaufgabe, und alles war ohne Hände erledigt. Der Teilnehmer startete immer noch an einer zufälligen Ladenfront. Anstatt einen Joystick zu verwenden, wurden sie angewiesen, den Gang zu einem anderen Zielgeschäft mental zu simulieren, indem sie „A“ auf dem Controller drückten, um anzuzeigen, wann sie begannen und wann sie ankamen. Währenddessen waren die Grafiken verschwunden, nur ein kleines weißes Kreuz auf dem Bildschirm, auf das sich die Freiwilligen konzentrieren konnten. Insgesamt führten sie 44 Versuche durch, wobei ihre Gehirnaktivität die ganze Zeit über überwacht wurde.

Es ist schwer zu lesen, was im Kopf einer Person vorgeht: Simuliert sie tatsächlich die Route im Kopf oder entspannt sie sich einfach? Die Studie fügte mehrere Leitplanken hinzu. Zunächst mussten die Freiwilligen eine weitere mentale Navigationsaufgabe erfolgreich abschließen, allerdings in einer vertrauten Umgebung: Sie wurden angewiesen, sich vorzustellen, wie sie zu Hause in ihren Schlafzimmern stehen und in ihre Küche gehen.

Als nächstes fügten die Forscher geschickt „Fangversuche“ ein. Hier simulierten die Teilnehmer mithilfe des Controllers während Gedächtnisaufgaben ihre imaginären Routen und stellten so sicher, dass sie sich tatsächlich an die Route erinnerten.

Mithilfe einer Reihe von Statistiken stellte das Team schließlich fest, dass die Zeit, die jeder Teilnehmer benötigte, um ein Zielgeschäft zu finden, zwischen beiden Aufgaben korrelierte, was darauf hindeutet, dass sie sich dieselbe Route vorstellten und nicht nur Tagträumen nachgingen.

Die Gehirnwellenanalysen kamen mit einer eindeutigen Antwort zurück. Sowohl die Navigation als auch die mentale Simulation lösten Theta-Wellen aus, die im Verlauf der Versuche immer stärker wurden. Allerdings erzeugte das bloße Erinnern an die Route – ohne jegliche Bewegung – weitaus größere Wellen, die länger anhielten. Sie fanden die gleichen Ergebnisse, unabhängig von der Analyse jeder einzelnen Elektrode oder jedes Freiwilligen.

Es scheint, dass das Gedächtnis im Vergleich zur einfachen Navigation ein weitaus stärkerer Treiber für Theta-Wellen ist, sagte das Team. Theta-Wellen scheinen im Gehirn auf natürliche Weise auch ohne Stimulation von außen aufzutreten, was die Annahme stützt, dass sie intern im Gehirn erzeugt werden und für das Gedächtnis von entscheidender Bedeutung sind.

Das sind gute Nachrichten. Da das Gedächtnis eng mit Theta-Wellen verbunden ist, ist es möglich, die einzigartigen Frequenzen zu nutzen und das Gedächtnis im Alter oder bei Patienten mit Demenz oder anderen psychischen Störungen zu verbessern. Forscher sind es bereits Erkundung anders Hirnstimulation Methoden – von elektrisch bis magnetisch – mit zunächst vielversprechenden Ergebnissen.

Aber vielleicht im weiteren Sinne ergänzt die Studie eine aktuelle Studie Trend das Gehirnwellen als neuartigen Weg zur Behandlung schwieriger neurologischer Störungen erforscht, darunter Alzheimer und Schlaganfall. Mittlerweile sind Dutzende drin klinische Versuche. Sie könnten den Wendepunkt bei der Bekämpfung bisher unlösbarer neurologischer Erkrankungen darstellen. Wir werden sehen.

Bild-Kredit: Lucas Kapla on Unsplash 

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• Quelle: https://singularityhub.com/2023/07/23/scientists-found-the-source-of-a-key-brain-wave-for-memory-and-creativity/