Wissenschaftliche Forschung in Portugal zur Wahrnehmung der Zeit

vor 38 Minuten

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Ein Forscherteam des Champalimaud Research Learning Lab, bestehend aus Tiago Monteiro, Filipe S. Rodrigues, Margarida Pexirra, Bruno F. Cruz, Ana I. Gonçalves, Pavel E. Rueda-Orozco und Joseph J. Paton, hat kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience einen Artikel veröffentlicht, in dem die Forscher beschreiben, wie sie Muster neuronaler Aktivität bei Ratten künstlich verlangsamten oder beschleunigten, damit deren Urteil über das Verstreichen der Zeit veränderten und den bislang überzeugendsten kausalen Nachweis dafür vorlegten, wie das Gehirn in dieser Hinsicht funktioniert. Der Artikel trägt den Titel: Using temperature to analyze the neural basis of a time-based decision (Nutzung der Temperatur zur Analyse der neuronalen Grundlage einer zeitbasierten Entscheidung).

Joseph Paton und seine Kollegen trainierten eine Gruppe von Ratten darauf, zwischen verschiedenen Zeitintervallen zu unterscheiden. Bei ihren Untersuchungen beobachteten sie, dass die Aktivität im Streifenkörper (striatum), einer tief gelegenen Hirnregion, vorhersagbare Muster aufwies, die in unterschiedlichem Tempo variierten.

Um dieses Werkzeug an Ratten zu testen, entwickelten die Forscher ein eigens angefertigtes thermoelektrisches Gerät, mit dem sie das striatum lokal erwärmen oder abkühlen können, während sie die neuronale Aktivität aufzeichnen. Bei diesen Experimenten waren die Ratten betäubt, weshalb die Forscher die Optogenetik - eine Technik, bei der Licht zur Stimulation bestimmter Zellen eingesetzt wird - nutzten, um im Streifenkörper Aktivitätswellen zu erzeugen.

Die Tiere wurden darauf trainiert anzuzeigen, ob das Intervall zwischen zwei Tönen länger oder kürzer als 1,5 Sekunden war.

Wenn das striatum gekühlt wurde, deuteten die Tiere ein bestimmtes Intervall mit größerer Wahrscheinlichkeit als kurz. Wurde das striatum dagegen erwärmt, gaben sie mit größerer Wahrscheinlichkeit an, dass das Intervall lang war.

Die Erwärmung des striatum beschleunigte die Populationsdynamik dieser Hirnregion, ähnlich einer Beschleunigung der Zeigerbewegung einer Uhr, was dazu führte, dass die Ratten ein bestimmtes Zeitintervall als länger einschätzten, als es tatsächlich war.

Die Erkenntnisse des Teams zeigen, dass das striatum eine grundlegende Rolle dabei spielt, zu bestimmen, was und wann etwas zu tun ist. Die Steuerung der Bewegung hängt jedoch mit anderen Hirnstrukturen zusammen.

Indem sie neue Erkenntnisse über den kausalen Zusammenhang zwischen neuronaler Aktivität und der Funktion der zeitlichen Abstimmung liefern, stellen die Ergebnisse des Teams einen bedeutenden Fortschritt bei der Entwicklung neuer therapeutischer Ansatzpunkte für schwere Erkrankungen wie die Parkinson-Krankheit oder die Huntington-Krankheit dar, die Symptome aufweisen, die mit der Zeit und mit dem striatum zusammenhängen. Diese neuen Informationen könnten den Weg für wirksamere und gezieltere Maßnahmen zur Behandlung dieser komplexen neurologischen Erkrankungen ebnen und so die Lebensqualität der davon betroffenen Patienten verbessern.

DIE POPULATIONSUHR

Dies ist eine in diesem Artikel erwähnte Theorie aus dem Bereich der Neurobiologie, die besagt, dass das menschliche Gehirn keine einzelne zentrale Uhr zur Verarbeitung der Zeit besitzt, sondern mehrere „Uhren“, die über verschiedene neuronale Netzwerke verteilt sind. Nach dieser Hypothese sind verschiedene Gruppen von Neuronen in mehreren Hirnregionen an der Verarbeitung der Zeit beteiligt. Diese neuronalen Gruppen würden eine „Populationsuhr“ bilden, die sich auf Muster neuronaler Aktivität stützt, um das Verstreichen der Zeit dezentral und flexibel zu berechnen und darzustellen.

Dieser Ansatz unterscheidet sich vom Konzept einer „zentralen Uhr“, wie sie in Computern verwendet wird, bei der eine einzige Quelle die Zeitmessung steuert. Im Gehirn scheint die Zeitwahrnehmung aus dem komplexen Zusammenspiel mehrerer Hirnareale und ihrer koordinierten neuronalen Aktivitäten hervorzugehen.

Die Hypothese der „Populationsuhr“ ist weiterhin Gegenstand von Studien und Forschung in der Neurobiologie, und ihr Verständnis kann dazu beitragen, besser zu verstehen, wie Menschen Zeit wahrnehmen und verarbeiten.

DER ARTIKEL

Der vollständige Artikel ist unter diesem Link abrufbar. Hier folgt jedoch die Übersetzung der Einleitung und eines Teils der Schlussfolgerung für besonders wissbegierige Leser.

ZUSAMMENFASSUNG

„Man nimmt an, dass die Basalganglien zur Entscheidungsfindung und zur motorischen Steuerung beitragen. Diese Funktionen hängen entscheidend von zeitlicher Information ab, die aus dem sich entwickelnden Zustand neuronaler Populationen in ihrer wichtigsten Eingangsstruktur, dem striatum, gewonnen werden kann. Es ist jedoch umstritten, ob die striatale Aktivität latenten, dynamischen Entscheidungsprozessen oder der Kinematik offener Bewegung zugrunde liegt. Hier haben wir die Auswirkung der Temperatur auf die striatale Populationsaktivität und auf das Verhalten von Ratten gemessen, und die beobachteten Effekte wurden mit der neuronalen Aktivität und dem Verhalten verglichen, die in mehreren Versionen einer zeitlichen Kategorisierungsaufgabe erfasst wurden. Abkühlung bewirkte eine Dehnung und Erwärmung eine Stauchung der neuronalen Aktivität und der Urteilsmuster in der Zeit und ahmte damit die endogene, entscheidungsbezogene Variabilität der striatalen Aktivität nach. Die Temperatur beeinflusste die Bewegungskinematik jedoch nicht in ähnlicher Weise. Diese Daten liefern überzeugende Belege dafür, dass der zeitliche Verlauf der sich entwickelnden striatalen Aktivität die Geschwindigkeit eines latenten Prozesses bestimmt, der zur Steuerung von Entscheidungen genutzt wird, nicht aber die kontinuierliche motorische Steuerung. Allgemeiner gesagt etablieren sie die Zeitskala der Populationsaktivität als wahrscheinliche neuronale Grundlage für die Variabilität des zeitlichen Verhaltens.“

EINLEITUNG

„(...) Ein Großteil des Verhaltens hängt von der Zeit ab. Menschen und andere Tiere müssen die zeitliche Struktur der Umwelt erfassen, um zu lernen, Ereignisse vorwegzunehmen, die Beziehungen zwischen Handlungen und Folgen zu verstehen und die Zeit implizit oder explizit abzuschätzen, um Handlungen zu planen, in eine Abfolge zu bringen und angemessen zu koordinieren. Bei so unterschiedlichen Aufgaben wie dem Warten an einer Ampel oder einem Kolibri auf Nektarsuche ist die Zeit von grundlegender Bedeutung. Zeitmessmechanismen scheinen über das gesamte Nervensystem verteilt zu sein, was die Bedeutung zeitlicher Information für einen Großteil der Hirnfunktionen widerspiegelt. Eine Anforderung, die verschiedenen Funktionen gemeinsam ist, besteht jedoch darin, einen Index zu schaffen, der Information entlang der zeitlichen Dimension ordnet und in Abstände gliedert, sodass nützliche Beziehungen gewonnen und die Ergebnisse angemessen koordiniert werden können. Auf der Skala von Sekunden und Minuten, auf der sich ein Großteil des Verhaltens abspielt, stellt die Dynamik neuronaler Populationen ein mögliches Mittel sowohl zur Kodierung als auch zur Erzeugung zeitlicher Muster dar. Modelle künstlicher neuronaler Netze haben die Entwicklung der Populationsaktivität als Grundlage für die zeitliche Bestimmung sensorischer Ereignisse und Bewegungen untersucht, und Korrelationen zwischen dem Verhalten und dem zeitlichen Verlauf der Populationsaktivität haben die Hypothese gestützt, dass zeitlich variierende Aktivitätsmuster innerhalb einer Population zeitliche Berechnungen ausführen. Korrelationen implizieren jedoch keine Kausalität. Die entscheidende Vorhersage dieser Hypothesen einer „Populationsuhr“ lautet, dass Eingriffe, die die zeitliche Entwicklung der Aktivität verlangsamen oder beschleunigen können, eine entsprechende Dehnung oder Stauchung der mit dieser Aktivität ausgeführten zeitlichen Funktionen bewirken sollten. Ein Hirnsystem, in dem zeitliche Information entscheidend zu sein scheint, ist das der Basalganglien (BG), eine evolutionär alte Gruppe von Hirnstrukturen, von denen man annimmt, dass sie auf der Grundlage von Erfahrung zur Auswahl geeigneter Handlungen beitragen. Eine vorherrschende Sichtweise besagt, dass die BG wesentliche Merkmale von Algorithmen des bestärkenden Lernens (RL) verkörpern. Bei Säugetieren übermitteln Eingänge aus einer Vielzahl von Territorien des Kortex, des Thalamus und limbischer Hirnstrukturen Informationen über den Zustand der Welt, die an der dichten dopaminergen Innervation im wichtigsten Eingangsbereich der BG, dem Striatum, zusammenlaufen. Man nimmt an, dass der Eingang dopaminerger Neuronen den striatalen Schaltkreisen den Wert bestimmter Handlungen in einem bestimmten Zustand vermittelt, eine Information, die an nachgeschaltete motorische Schaltkreise des Hirnstamms und thalamokortikale Schaltkreise weitergegeben werden kann, um die Auswahl zu beeinflussen oder die Merkmale von Handlungen festzulegen. Um eine solche Funktion zu erfüllen, müssten die BG implizit oder explizit Zugang zu Information über Ordnung und Abstände entlang der zeitlichen Dimension haben, sowohl um bedeutsame Beziehungen zwischen Umwelt, Handlungen und Ergebnissen zu gewinnen, die zum Lernen führen, als auch um die Ausführung von Handlungen zeitlich zu koordinieren. Interessanterweise haben Daten von Menschen mit Störungen des zentralen Nervensystems und Bilder der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) das zentrale Nervensystem übereinstimmend als am zeitlichen Verhalten beteiligt identifiziert. Darüber hinaus können Läsionen und pharmakologische Manipulationen des Striatums Defizite bei der zeitlichen Schätzung und Reproduktion verursachen. Schließlich haben Ableitungen striataler Populationen gezeigt, dass zeitliche Information aus der neuronalen Aktivität dekodiert werden kann und dass diese Information mit der Variabilität des zeitlichen Verhaltens korreliert. Konkret verändert sich der Zustand der striatalen Populationsaktivität während Verhaltensaufgaben, die eine Zeitschätzung erfordern, kontinuierlich entlang reproduzierbarer Trajektorien und schreitet schneller voran, wenn die Tiere lange Urteile abgeben, und langsamer, wenn sie kurze Urteile abgeben. Um zu prüfen, ob die Variabilität der Geschwindigkeit der BG-Populationsdynamik lediglich mit der Zeitmessfunktion korreliert oder diese direkt reguliert, versuchten wir, die Dynamik experimentell zu manipulieren, während die Tiere zeitliche Urteile abgaben. Interessanterweise können neuronale Schaltkreise zumindest in einigen Systemen, obwohl sie aus Elementen mit unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit bestehen (zum Beispiel Leitfähigkeiten von Ionenkanälen und synaptische Übertragung), Aktivitätsmuster erzeugen, die sich mit sinkender oder steigender Temperatur systematisch verlangsamen oder beschleunigen. Aus diesem Grund bieten Temperaturmanipulationen eine mögliche Methode, um Hypothesen über den Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit der neuronalen Dynamik und der Funktion zu prüfen. Tatsächlich wurden Temperaturmanipulationen beim Zebrafinken eingesetzt, um das Areal HVC (Eigenname) als einen Ort im Schaltkreis der Gesangsproduktion zu identifizieren, der zum zeitlichen Muster des Vogelgesangs beiträgt. Ähnliche Temperaturmanipulationen identifizierten eine Subregion des menschlichen motorischen Kortex, die die Sprechgeschwindigkeit reguliert, sowie eine Region des medialen frontalen Kortex von Nagetieren, die den Zeitpunkt einer verzögerten Bewegung steuert. Die Temperatur kann jedoch je nach den zellulären und schaltkreisbezogenen Eigenschaften des betreffenden Areals unterschiedliche Auswirkungen auf die neuronale Aktivität haben.

Hier verwendeten wir ein eigens angefertigtes thermoelektrisches Gerät (TED), um die Temperatur des striatalen Gewebes systematisch zu variieren, indem wir es gegenüber einem Ausgangszustand sowohl erwärmten als auch abkühlten. Wir stellten fest, dass die Temperatur das globale Aktivitätsniveau nicht monoton beeinflusste, wobei sowohl Erwärmung als auch Abkühlung gegenüber einer Kontrolltemperatur niedrigere globale Feuerraten erzeugten. Im Gegensatz dazu bewirkten die Temperaturmanipulationen monotone, abgestufte Veränderungen der Zeitskala der neuronalen Aktivität und ahmten damit die entscheidungsbezogene Variabilität der Aktivität nach, die in mehreren Versionen einer zeitlichen Urteilsaufgabe beobachtet wurde. Die Temperaturmanipulationen bewirkten außerdem bidirektionale, abgestufte Veränderungen der zeitlichen Urteile der Tiere, die die temperaturabhängige Veränderung der Zeitskala der neuronalen Aktivität sowie den beobachteten Zusammenhang zwischen der Zeitskala der Aktivität und den Urteilen der Tiere widerspiegelten. Bemerkenswert ist, dass diese Ergebnisse nicht von ähnlichen Auswirkungen der Temperatur auf die Bewegungsausführung begleitet waren. Stattdessen war das Muster der durchschnittlichen Bewegungsgeschwindigkeit der Tiere, wenn auch schwächer ausgeprägt als die Auswirkungen der Temperatur auf ihre Urteile, eine nicht monotone Funktion der Temperatur, ähnlich dem beobachteten nicht monotonen Effekt der Temperatur auf die Grundfeuerrate. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass unterschiedliche Aspekte des Verhaltens durch die zeitliche Entwicklung der Populationsaktivität und durch das globale Aktivitätsniveau gesteuert werden können. Diese Unterscheidungen legen nahe, dass sich kontinuierlich entwickelnde Aktivitätsmuster im Striatum die zeitliche Platzierung diskreter Verhaltensübergänge unterstützen, wie sie für die Handlungsauswahl und die Entscheidungsfindung erforderlich ist, jedoch keine Signale für die von Moment zu Moment erfolgenden motorischen Befehle liefern, die für eine kontinuierliche Steuerung nötig sind. Anstatt dass die BG hochdimensionale kontinuierliche Steuersignale liefern, scheint das globale Aktivitätsniveau ein niedrigdimensionales Verstärkungssignal bereitzustellen, das auf anderswo ausgeführte motorische Programme angewendet wird, was mit der Rolle der BG-Schaltkreise bei der Modulation der Bewegungsstärke übereinstimmt.

SCHLUSSFOLGERUNG

(...) Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass die Geschwindigkeit der neuronalen Populationsaktivität entlang reproduzierbarer Trajektorien im neuronalen Raum mit der Variabilität des Timings von Handlungen und mit zeitabhängigen Entscheidungen korrelieren kann. Tatsächlich mehren sich die Belege dafür, dass dies ein allgemeines Prinzip der zeitlichen Verarbeitung im Gehirn darstellen könnte. Hier liefern wir weitere kausale Belege für dieses Prinzip, indem wir zeigen, dass experimentelle Temperaturmanipulationen im Striatum genutzt werden können, um sowohl die Muster neuronaler Aktivität unter Narkose als auch die zeitliche Entwicklung latenter Entscheidungsvariablen, die Ratten zur Steuerung ihres Verhaltens nutzen, insbesondere ihrer kategorialen Dauerurteile, zu verlangsamen oder zu beschleunigen. Diese Ergebnisse scheinen eher eine direkte Auswirkung der Temperatur auf entscheidungsbezogene (oder handlungsauswahlbezogene) Prozesse widerzuspiegeln als auf Prozesse der Bewegungsausführung von Moment zu Moment (oder der kontinuierlichen Steuerung), denn die Effekte der Temperatur auf die Zeiturteile und auf die Bewegungskinematik waren qualitativ verschieden. In so unterschiedlichen Bereichen wie den Neurowissenschaften, der Robotik und der künstlichen Intelligenz ist seit Langem bekannt, dass die Bewegungssteuerung wahrscheinlich durch eine Hierarchie von Steuerungsmechanismen erleichtert wird. Selbst relativ einfache Nervensysteme müssen zwischen verschiedenen motorischen Mustergeneratoren wechseln und zugleich ihre Ausgabe kontinuierlich steuern. Die Beobachtung, dass ein Eingriff, der die Geschwindigkeit der striatalen Population modulieren kann, die Entwicklung der Entscheidungsvariablen und die für die kontinuierliche Bewegungssteuerung nötigen Variablen unterschiedlich beeinflusst, steht im Einklang mit der Annahme, dass die BG als Steuerung auf mittlerer Ebene wirken, die wichtig ist, um zwischen verschiedenen Handlungen auszuwählen, sie einzuschalten oder zu modulieren, liefert aber Belege gegen die Ausgabe der für die Bewegungsausführung nötigen Befehle von Moment zu Moment. Eine Einschränkung dieser Deutung besteht darin, dass mögliche Bewegungen während der Intervallphase, als sich die Urteile der Tiere vermutlich bildeten, unterhalb unserer Erkennungsschwelle lagen. Daher analysierten wir die Kinematik der Wahlbewegungen, die notwendigerweise nach Abschluss des zeitlichen Urteils stattfanden. Es ist also möglich, dass die Temperatur ähnliche Effekte auf die Urteile und auf die Kinematik nicht erkannter mutmaßlicher Bewegungen während des Entscheidungsprozesses hatte und dass sich ihre Effekte auf die Bewegungskinematik qualitativ veränderten, als es darum ging, einige hundert Millisekunden später Wahlbewegungen auszuführen. Wir halten diese Möglichkeit aus Gründen der Sparsamkeit und aufgrund vorhandener Daten, die mit der Annahme unvereinbar scheinen, dass die BG detaillierte kinematische Informationen von Moment zu Moment für die Verhaltenssteuerung liefern, für weniger wahrscheinlich. So wurde beispielsweise gezeigt, dass Läsionen des dorsalen Striatums die Abfolge von Verhaltensmotiven stören, ohne deren Ausführung zu beeinträchtigen. Selbst Daten, die zeigen, dass striatale Läsionen die detaillierte Kinematik erlernter stereotyper Bewegungen beeinträchtigen können, lassen sich mit einer spezifischeren Rolle der BG bei der diskreten Steuerung vereinbaren, da erlernte Bewegungen offenbar die Verkettung motorischer Elemente oder Sequenzierung beinhalten, was bedeutet, dass diskrete Übergänge angemessen in den globalen zeitlichen Verlauf des Verhaltens eingefügt werden müssen. Die Beobachtungen, dass kinematische Information während Aufgaben mit Timing-Anforderungen aus dem Striatum dekodiert werden kann, stimmen ebenfalls mit dieser Sichtweise überein, denn die BG-Schaltkreise würden vermutlich vom Zugang zu kontinuierlicher Information über den Zustand der an die Effektorsysteme gesendeten Befehle profitieren, um zu steuern, wann bestimmte Handlungen auszuführen sind, auch wenn sie nicht für das Senden detaillierter kinematischer Steuersignale an nachgeschaltete Schaltkreise verantwortlich sind. Unsere Ergebnisse erinnern an die Beobachtung, dass die Abkühlung einer orofazialen Region des motorischen Kortex bei singenden Mäusen bestimmte Aspekte des Gesangstimings verlangsamt, während die Dauer der einzelnen Töne unverändert bleibt. Interessanterweise die tonische Hemmung des direkten Zuleitungswegs des https://doi.org/10.1038/s41593-023-01378-5. Interessant ist, dass die tonische Hemmung des direkten Zuleitungswegs der BG an seinem Ausgangspunkt im Striatum eine Verlangsamung der Bewegung bewirken kann, was darauf hindeutet, dass der Einfluss der BG auf die mit der Bewegungsstärke verbundenen Steuerparameter möglicherweise nicht über Dynamiken im höherdimensionalen Raum der Populationsentladungen erfolgt, sondern über eine niedrigdimensionale, verstärkungsartige Modulation motorischer Programme, die größtenteils von Schaltkreisen an anderer Stelle umgesetzt werden. Im Einklang damit fanden wir, dass die endogene Variabilität der Grundfeuerrate striataler Neuronen mit den Reaktionszeiten zusammenhing und dass der nicht monotone Effekt der Striatumtemperatur auf dieses Merkmal einem Muster im Verhalten der Ratten ähnelte, bei dem sowohl wärmere als auch kältere Temperaturen langsamere und verzögerte Wahlbewegungen hervorriefen. Während des Verhaltens interagieren die Tiere kontinuierlich mit der Umwelt, und diese Interaktion erzeugt erhebliche Mengen neuronaler Aktivität in vielen Hirnarealen. Merkmale neuronaler Aktivität, die latenten Prozessen wie Aspekten der Kognition zugrunde liegen, von verhaltensgetriebener neuronaler Aktivität zu unterscheiden, ist ein schwieriges Problem, das mehrere Ansätze erfordert. Ein Ansatz besteht darin, neuronale Aktivität in Verhaltensaufgaben zu untersuchen, die entlang von Dimensionen variieren, die orthogonal zum untersuchten Prozess liegen. So sollten beispielsweise Signale, die mit einer Entscheidung und nicht mit deren Mitteilung zusammenhängen, gegenüber den Bewegungsbedingungen der Aufgabe invariant sein. In der vorliegenden Studie stellten wir fest, dass die Variabilität der Geschwindigkeit der striatalen Populationsantworten mit den zeitlichen Urteilen der Versuchstiere in zwei Varianten der Aufgabe korrelierte, die sich darin unterschieden, wie frei sich die Tiere während der Reizdarbietung bewegen konnten. Diese Übereinstimmung spricht gegen ein Szenario, in dem die Bewegung der Haupttreiber der Korrelation zwischen neuronaler Variabilität und zeitlichem Urteil ist. A priori lässt sich unmöglich bestimmen, ob solche Korrelationen einen kausalen Zusammenhang zwischen dieser neuronalen Aktivität und dem Verhalten widerspiegeln, eine nicht beobachtete Quelle neuronaler Aktivität an anderer Stelle, die sowohl die striatale neuronale Aktivität als auch das Verhalten direkt verursacht, oder möglicherweise ein Verhalten, das über wiedereintretenden sensorischen Input die striatale neuronale Aktivität verursacht. Die frühere Analyse von Hochgeschwindigkeitsvideos während der fixationsfreien Version der hier untersuchten zeitlichen Urteilsaufgabe zeigte, dass entscheidungsbezogene Information in der striatalen Aktivität mehrere hundert Millisekunden früher auftrat als im äußeren Verhalten, was dagegen spricht, dass Entscheidungssignale allein durch die sensorischen Folgen des Verhaltens bestimmt werden. Die Vielfalt der Möglichkeiten unterstreicht jedoch die Notwendigkeit sogenannter kausaler Eingriffe, um zu klären, ob neuronale Aktivität eine Ursache, eine Begleiterscheinung oder eine Folge des Verhaltens ist. Um die Auswirkung eines Temperatureingriffs auf die Populationsdynamik zu untersuchen, haben wir hier die durch optogenetische Aktivierung des VB-Thalamus unter Narkose hervorgerufene Dynamik untersucht und nicht die während des Verhaltens beobachteten endogenen Aktivitätsmuster. Dieser Ansatz hat den Nachteil, dass er 1) keine gleichzeitige Bewertung der Auswirkung der Temperatur auf neuronale Aktivität und Verhalten erlaubt und 2) die neuronale Aktivität durch Schaltkreismechanismen erzeugt wird, die sich von denen unterscheiden, die während des Verhaltens wirksam sind. Er hat jedoch auch Vorteile. Insbesondere werden verhaltensbedingte Quellen neuronaler Variabilität vollständig ausgeschaltet, was eine viel direktere Bewertung der Effekte der Temperatur auf die Merkmale der neuronalen Populationsdynamik ermöglicht, die in mehreren Versuchsreihen unabhängig mit Zeiturteilen korreliert wurden. Was die Klärung der Art der kausalen Einflüsse zwischen den verschiedenen möglichen Faktoren betrifft, stärkt diese Unabhängigkeit technisch unser Vertrauen darin, dass die Kausalkette von der Temperatur über die Populationsdynamik zu den zeitlichen Urteilen der Tiere verläuft. Welche Schaltkreismechanismen könnten die hier untersuchte, für die Aufgabe relevante striatale Populationsaktivität hervorbringen? Frühere Ansichten legten nahe, dass die BG ihre Aktivitätsmuster weitgehend von ihren Eingängen übernehmen, von denen oft angenommen wurde, dass sie aus dem Kortex stammen. Würde die zeitlich variierende striatale Aktivität, die dem zeitlichen Urteil zugrunde liegt, jedoch einfach von einem anderen Hirnareal übernommen, wäre zu erwarten, dass Manipulationen der striatalen Temperatur nur eine minimale Verschiebung und keine deutliche Neuskalierung des Verhaltens bewirken. Wie im Gesangssteuerungsschaltkreis der Singvögel scheinen unsere Daten daher mit einem Mechanismus unvereinbar zu sein, bei dem die relevante Dynamik einfach von dem Hirnareal übernommen wird, auf das die Temperaturmanipulationen abzielen, in unserem Fall das DS. Bei Singvögeln gibt es Hinweise darauf, dass eine Kombination lokaler Schaltkreismechanismen im pallialen Areal HVC und eines größeren wiedereintretenden Schaltkreises, der HVC und mehrere andere Hirnareale umfasst, an der Erzeugung der zeitlich strukturierten Aktivität beteiligt ist, die dem Gesangstiming zugrunde liegt. Ein ähnliches Szenario könnte den Mechanismen zugrunde liegen, die die zeitlich strukturierte striatale Aktivität bei zeitlichen Urteilen erzeugen. Erstens: Obwohl die meisten Netzwerkmodellierungen, die neuronale Dynamik für Berechnungen nutzen, zumindest teilweise auf rekurrenter Erregung beruhen, deuten neuere Arbeiten darauf hin, dass ein striatumähnlicher, weitgehend hemmender Schaltkreis bei anhaltendem erregendem Eingang komplexe raumzeitliche Dynamiken erzeugen könnte. Das Striatum könnte auch eine Stufe eines umfassenderen wiedereintretenden Schaltkreises darstellen, der mehrere Hirnsysteme einbezieht und zur Erzeugung dynamischer Aktivitätsmuster beiträgt, die die Entwicklung der Entscheidungsvariablen bestimmen. In dieser Sichtweise würden sich die durch Abkühlung oder Erwärmung verursachten Verzögerungen oder Beschleunigungen bei jedem Durchlauf durch den Schaltkreis summieren, was zu einer zeitlichen Neuskalierung mit der Temperatur führen würde. Ein solcher Schaltkreis könnte grundsätzlich den Kortex, Strukturen der BG und den Thalamus einbeziehen oder subkortikale Areale wie nachgeschaltete BG-Strukturen, den Colliculus superior und den Thalamus. Unsere Daten deuten jedoch darauf hin, dass ein etwaiger wiedereintretender Schaltkreismechanismus unter Beteiligung des Kortex nicht den primären motorischen Kortex einbezog, da die Temperaturmanipulationen nur vernachlässigbare Auswirkungen auf das Wahlverhalten hatten, was mit früheren Studien übereinstimmt, die zeigen, dass eine Manipulation des motorischen Kortex das Verhalten geübter Tiere bei motorischen Timing-Aufgaben nicht beeinflusst. Allerdings wurde gezeigt, dass orbitofrontale und mediale frontale kortikale Areale während motorischer Timing- und zeitlicher Urteilsaufgaben zeitliche Information kodieren, wenn auch weniger präzise als das Striatum, und dass die Abkühlung medialer frontaler kortikaler Strukturen Bewegungen verzögert, was möglicherweise auf eine Beteiligung frontaler kortikaler Strukturen hinweist. Darüber hinaus korreliert die Aktivität dopaminerger Neuronen des Mittelhirns mit Veränderungen zeitlicher Urteile und kann diese direkt verursachen, was darauf hindeutet, dass die dopaminerge Neuromodulation über ihre Wirkung auf striatale Schaltkreise ebenfalls den zeitlichen Verlauf der Netzwerkaktivität anpassen kann. Es wurde vorgeschlagen, dass Zeitmessprozesse im Gehirn verteilt sind und dass Netzwerke von Neuronen implizit über eine reiche Fähigkeit verfügen, durch die zeitlich variierenden Aktivitätsmuster, die sie während des Verhaltens tendenziell erzeugen, als Zeitmessmechanismen zu wirken, was manchmal als „Populationsuhr“ bezeichnet wird. Obwohl die hier vorgestellten Daten diese Hypothese stark stützen, könnten die Arten von Berechnungen, die frühere, stärker algorithmische und informationsverarbeitende Erklärungen der Zeit annahmen, grundsätzlich sehr wohl in der Art von Populationsaktivität verkörpert sein, die wir hier beschreiben. Diese Möglichkeit spiegelt sich in der wachsenden Überzeugung wider, dass das Gehirn viele seiner Berechnungen über Dynamik ausführt. Unsere Wahrnehmungen, Gedanken und Handlungen sind fortwährend miteinander verknüpft und zeitlich reguliert, und das Verständnis der neuronalen Grundlage zeitlicher Verarbeitung gilt als notwendige Voraussetzung für allgemeine Modelle der Kognition. Zu verstehen, wie das Gehirn Information entlang der zeitlichen Dimension angemessen ordnet und in Abstände gliedert, um Signale zu kodieren, die Funktionen der Zeit sind, ist jedoch eine fortwährende Herausforderung für die Neurowissenschaften. In diesem Artikel legen wir überzeugende Belege dafür vor, dass der zeitliche Verlauf der Aktivität in Populationen striataler Neuronen den zeitlichen Verlauf eines Zeitmessprozesses, der zur Steuerung der Entscheidungsfindung genutzt wird, direkt beeinflusst. Die Daten implizieren nicht nur eine kausale Verbindung zwischen der Zeitskala einer Populationsantwort und einer zeitlichen Grundlage für Berechnungen im Gehirn, sondern sprechen auch dafür, dass die striatale Dynamik in der Hierarchie der Verhaltenssteuerung an einer Schnittstelle zwischen Kognition und motorischer Funktion wirken kann, um mitzubestimmen, ob und wann welche Handlungen ausgeführt werden, nicht aber, um die sich kontinuierlich entwickelnden motorischen Befehle von Moment zu Moment zu liefern, die für die Bewegungsausführung nötig sind. Die genauen Schaltkreismechanismen zu verstehen, die für die Festlegung und Modulation der Zeitskala neuronaler Aktivität in diesen Schaltkreisen verantwortlich sind, und welchen spezifischen Berechnungen diese Aktivität dient, sind wichtige künftige Richtungen, um zu verstehen, wie das Gehirn flexibel mit intern berechneter Information arbeitet, um adaptives und intelligentes Verhalten hervorzubringen.