Neue Erkenntnisse über Gehirnfalten könnten kognitive Unterschiede erklären

BERKELEY / LONDON (IT BOLTWISE) – Neurowissenschaftler der University of California, Berkeley, haben in einer aktuellen Studie faszinierende Erkenntnisse über die kleinen Falten im Gehirn gewonnen, die als tertiäre Sulci bekannt sind. Diese könnten erklären, warum Menschen unterschiedliche Fähigkeiten im logischen Denken besitzen.

Die neue Studie, die in der renommierten Fachzeitschrift The Journal of Neuroscience veröffentlicht wurde, beleuchtet, wie die Tiefe dieser kleinen Gehirnfalten bei Kindern und Jugendlichen mit einer stärkeren Kommunikation zwischen zwei Bereichen verbunden ist, die für höhere Denkprozesse entscheidend sind: dem lateralen präfrontalen Kortex und dem lateralen parietalen Kortex. Die Ergebnisse legen nahe, dass subtile anatomische Unterschiede in diesen Falten die Effizienz der Zusammenarbeit verschiedener Gehirnregionen bei komplexen Denkprozessen beeinflussen könnten.

Die Gehirnoberfläche, bekannt als die Großrinde, zeichnet sich durch eine gefaltete Struktur mit Erhebungen (Gyri) und Furchen (Sulci) aus. Diese Falten ermöglichen es, die große Oberfläche der Großrinde innerhalb des Schädels unterzubringen. Während sich die meisten neurowissenschaftlichen Forschungen auf die großen Sulci konzentrieren, die bei fast jedem Menschen vorhanden sind, widmete sich die aktuelle Studie den kleineren und flacheren tertiären Sulci. Diese variieren stärker zwischen Individuen und befinden sich in Assoziationsbereichen des Gehirns, die sich im Laufe der menschlichen Evolution erheblich erweitert haben und an fortgeschrittenen kognitiven Prozessen beteiligt sind.

Die Forscher vermuteten, dass diese kleinen Falten das logische Denken unterstützen könnten, indem sie die Struktur und Funktion von Gehirnnetzwerken beeinflussen. Insbesondere schlugen sie vor, dass tiefere tertiäre Sulci entfernte Gehirnregionen näher zusammenbringen könnten, was eine effizientere Kommunikation ermöglicht – ein Konzept, das als Netzwerkzentralität bekannt ist.

Um diese Hypothese zu überprüfen, rekrutierten die Forscher 43 neurotypische Kinder und Jugendliche im Alter von 7 bis 18 Jahren aus einer größeren Entwicklungsstudie zur Fähigkeit des logischen Denkens. Alle Teilnehmer waren rechtshändige englische Muttersprachler und unterzogen sich detaillierten Gehirnscans, während sie eine Aufgabe zur Messung des abstrakten Denkens durchführten. Diese Aufgabe erforderte, Muster zwischen einfachen Formen zu erkennen und Beziehungen sowohl auf einer grundlegenden als auch auf einer komplexeren Ebene zu bestimmen.

Insgesamt wurden 42 Sulci in jeder Gehirnhälfte manuell identifiziert, wobei der Fokus auf den lateralen präfrontalen und parietalen Kortex gelegt wurde. Die Forscher nutzten funktionelle MRT-Daten, die während der Denkaufgabe gesammelt wurden, um zu bewerten, wie stark jeder Sulcus mit anderen verbunden war, und erstellten so eine Karte der funktionellen Konnektivität über diese Falten hinweg. Fortgeschrittene Datenanalysetechniken wurden eingesetzt, um drei Aspekte der Rolle jedes Sulcus innerhalb des Gehirnnetzwerks zu messen: die Anzahl der Verbindungen zu anderen Sulci (Grad), wie oft er als Brücke zwischen anderen Verbindungen diente (Zwischenzentralität) und wie breit seine Verbindungen über verschiedene funktionale Cluster verteilt waren (Teilnahme-Koeffizient).

Ein Schlüsselergebnis war, dass in mehreren spezifischen tertiären Sulci – darunter der rechte pmfs-a, linke pmfs-i und linke pimfs – eine größere Tiefe mit einer höheren Netzwerkzentralität verbunden war. Diese tieferen Sulci hatten stärkere und weiter verbreitete Verbindungen im Gehirnnetzwerk, insbesondere mit anderen wichtigen Sulci, die an Vision und Aufmerksamkeit beteiligt sind. Diese Beziehungen blieben bestehen, selbst nachdem Alter und Kopfbewegungen berücksichtigt wurden, und waren nicht allein durch die Nähe zu anderen Sulci bedingt.

Die Ergebnisse unterstützen die Idee, dass tiefere tertiäre Sulci eine größere neuronale Effizienz fördern könnten, indem sie eine kürzere und direktere Kommunikation zwischen wichtigen Gehirnregionen erleichtern. Diese Assoziationen waren nicht einheitlich über alle Sulci hinweg. Einige Sulci mit großer Oberfläche, wie die im intraparietalen Sulcus, hatten insgesamt höhere Zentralitätsmaße, zeigten jedoch nicht die gleiche tiefenabhängige Variation wie die tertiären Sulci.

Diese Ergebnisse stützen eine langjährige Hypothese, dass individuelle Unterschiede in der Sulcus-Anatomie eine funktionale Rolle in der Kognition spielen könnten. Die Idee geht auf die 1960er Jahre zurück, als der Neuroanatom Sanides vorschlug, dass subtile Unterschiede in der Sulcus-Struktur kognitive Fähigkeiten widerspiegeln und sogar formen könnten. Die aktuellen Ergebnisse legen nahe, dass die Sulcus-Tiefe, insbesondere in Regionen, die spät in der Schwangerschaft entstehen und sich während der Kindheit weiterentwickeln, als Biomarker für individuelle Unterschiede im logischen Denken und möglicherweise anderen mentalen Funktionen dienen könnte.

Die Studie zeigt, dass Sulcus-Muster nicht zufällig sind und mit Kognition und funktionaler Organisation verknüpft sind. Fein abgestimmte individuelle Anatomie könnte helfen, Werkzeuge und fundierte Hypothesen zu entwickeln, um die hohe individuelle Variabilität zwischen Menschen besser zu erklären. Zukünftige Forschungen könnten diesen Ansatz auf verschiedene Gehirnregionen, Altersgruppen und kognitive Domänen ausweiten. Die Methode, Gehirnnetzwerke basierend auf der Sulcus-Anatomie zu definieren, könnte eine individuellere Möglichkeit bieten, die Gehirnfunktion zu untersuchen und frühe anatomische Marker für kognitive Stärken und Schwächen zu identifizieren.

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