Neurowissenschaftler verwenden mathematische Modelle, um nachzuvollziehen, wie das Gehirn Gerüche verarbeitet.
Wissen, wie das Gehirn auf Gerüche reagiert, kann helfen, Krankheiten zu bekämpfen
Von Natalie Sabin
11. Mai 2022 C Sie wissen, dass komplizierte Gleichungen vorhersagen können, welche Nachricht in Ihrem Newsfeed auftaucht oder welches TikTok-Video Sie sich als nächstes ansehen. Aber Sie wissen vielleicht nicht, dass Mathe uns helfen kann zu verstehen, was im Gehirn passiert, wenn wir etwas riechen.
Forscher am Del Monte Institute for Neuroscience an der Universität von Rochester entwickeln komplexe mathematische Modelle, die genau das tun. Wenn sie weiterhin Fortschritte machen, könnte ihre Arbeit im Kampf gegen Krankheiten des Nervensystems wie Alzheimer und Parkinson helfen.
Geruch entschlüsseln
Jedes Aroma, mit dem Sie in Kontakt kommen, löst in Ihrem Gehirn Reaktionen aus. Ob Sie es glauben oder nicht, diese Reaktionen können in Zahlen kodiert werden.
Ein grober Vergleich ist das Sehen und die Farben, die wir in Videospielen und auf Computerbildschirmen sehen. Computerprogrammierer haben jahrzehntelang daran gearbeitet, die Millionen von Farben, die wir in der realen Welt sehen, in 1en und 0en aufzulösen, die eine Maschine verstehen kann.
Langjährige Spieler haben diese Entwicklung mitverfolgt, als sich die Systeme von den 8-Bit-Nintendos und -Ataris über die 64-Bit-Playstations und Xboxen bis hin zu den noch komplexeren und detaillierteren Bildschirmen von heute weiterentwickelten. Auf jeder Stufe ermöglichte die wachsende Bitgröße eine bessere Präzision und mehr Details.
Schnappschuss oder Symphonie?
Um ein mathematisches Modell für den Geruchssinn zu erstellen, braucht man nur Zugang zu extrem leistungsstarken Computern, Kenntnisse des Hodgkin-Huxley-Modells (das Rückgrat vieler Gleichungen in den Neurowissenschaften), einen Katalog der unzähligen Forschungsarbeiten über den Geruchssinn und man muss sehr, sehr schlau sein.
Gleichungen wirken wie ein mathematischer Scheinwerfer, der Teile des Gehirns beleuchtet, die sonst vielleicht nicht klar wären, erklärt Dr. Krishnan Padmanabhan, außerordentlicher Professor für Neurowissenschaften an der Universität von Rochester und Hauptautor einer neuen Studie über das olfaktorische System des Gehirns, also den Geruchssinn.
Der Geruchssinn ist einer der am wenigsten erforschten Bereiche des Gehirns, sagt Padmanabhan.
In den letzten 30 Jahren gab es mehrere Theorien darüber, wie Gerüche verarbeitet werden, sagt er. In einem Modell werden die Reaktionen auf Gerüche wie eine Momentaufnahme eines bestimmten Zeitpunkts dargestellt. In anderen Modellen entwickeln sich die Muster im Laufe der Zeit, wie eine Symphonie.
Padmanabhan und sein Team wollten verstehen, warum es in der wissenschaftlichen Literatur so viele Theorien über Gerüche gibt, und mehr Erkenntnisse darüber gewinnen, welche davon wahr sind.
Also bauten er und sein Team eine Computersimulation, die nur aus Gleichungen besteht und dem Geruchssystem des Gehirns ähnlich ist. Dann änderten sie die Gleichungen, um Theorien darüber zu testen, wie das Gehirn arbeitet, wenn es auf einen Geruch trifft.
Die Ergebnisse (vorläufig)
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Art und Weise, wie das Gehirn Gerüche verarbeitet, davon abhängt, was es in diesem Moment verstehen muss.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass es sich bei diesen unterschiedlichen Modellen um verschiedene Seiten derselben Medaille handeln könnte", sagt Padmanabhan. Das Gehirn entscheidet sich nicht für einen bestimmten Ansatz zur Geruchsverarbeitung, sondern wechselt möglicherweise zwischen verschiedenen Strategien zur Interpretation von Gerüchen in der Umgebung.
Mit anderen Worten: Das Gehirn passt seine Reaktion an das an, was in der Welt um uns herum geschieht. Das ist gut, denn die Aufgabe des Gehirns ist es, das Gleichgewicht im Körper aufrechtzuerhalten und uns in allen möglichen Situationen am Leben zu erhalten, daher hilft ihm die Flexibilität, entsprechend zu reagieren. (Die Forscher haben keine spezifischen Gerüche programmiert, obwohl sie das in Zukunft tun könnten, sagt Padmanabhan).
Die Arbeit hat auch Auswirkungen auf die Gesundheit. Veränderungen des Geruchssinns wurden mit Gehirnkrankheiten wie Parkinson und Alzheimer in Verbindung gebracht. Mit der Zeit könnte ein tieferes Verständnis dieser Veränderungen zu einer besseren Erkennung und Behandlung führen.
Doch im Moment ist Padmanabhans Modell ein kleiner, aber wichtiger Baustein bei der Entschlüsselung des größeren Puzzles, wie das Gehirn funktioniert.
So wie die 8-Bit-Grafik zur 16-Bit-Grafik und schließlich zu den fotorealistischen Bildschirmen führte, die wir heute sehen, kann Padmanabhans Modell dazu beitragen, den Grundstein für größere und fortschrittlichere Entwicklungen zu legen.
Bei dieser Forschung geht es darum, die Sprache der Mathematik zu verwenden, um das Gehirn zu studieren, sagt Padmanabhan, aber es geht auch darum, die Dinge, die wir über das Gehirn wissen, zu nutzen, um bessere Wege zu finden, Gleichungen zu schreiben und Systeme für die Datenverarbeitung im Bereich der Neurowissenschaften zu bauen.
