System- und Schaltkreisneurowissenschaften
Die System- und Schaltkreisneurowissenschaften untersuchen, wie Populationen von Neuronen zu funktionalen Systemen und Schaltkreisen organisiert sind, die die Welt wahrnehmen, Bewegungen erzeugen und Emotionen sowie Erregung formen. Sie stellen die Analyseebene dar, die zwischen der zellulären und molekularen Neurowissenschaft (darunter) und der Kognition und dem Verhalten (darüber) angesiedelt ist, und fragt, wie anatomische Bahnen und Muster neuronaler Aktivität zu Wahrnehmung, Handlung und innerem Zustand führen.
Definition
Die System- und Schaltkreisneurowissenschaften sind das Studium der Struktur und Dynamik definierter neuronaler Schaltkreise und großskaliger Systeme, die anatomische Konnektivität und physiologische Aktivität mit sensorischen, motorischen, affektiven und zustandsregulierenden Funktionen verknüpfen.
Scope
Dieser Bereich führt den Leser in die wichtigsten funktionellen Systeme des Nervensystems ein: das visuelle, motorische, somatosensorische, limbische sowie das Aufmerksamkeits- oder Erregungssystem. Es handelt sich um eine referenz-edukative Übersicht, die die darunterliegenden detaillierten Themeneinträge einrahmt; sie ist keine klinische Leitlinie und behandelt weder Diagnose noch Behandlung.
Sub-topics
Core questions
- Wie werden sensorische Eingaben entlang organisierter Bahnen in perzeptuelle Repräsentationen umgewandelt?
- Wie planen, wählen und führen motorische Schaltkreise Bewegungen aus?
- Wie werden Emotionen, Motivation und Erregung durch verteilte Schaltkreise und neuromodulatorische Systeme reguliert?
- Wie unterstützen hierarchische und parallele Schaltkreisarchitekturen diese Funktionen?
Key concepts
- Topographische und somatotopische Karten
- Rezeptive Felder und Merkmalsselektivität
- Hierarchische und parallele Verarbeitung
- Parallele kortiko-basalganglien-thalamokortikale Schleifen
- Neuromodulatorische und Erregungssysteme
- Großskalige Gehirnnetzwerke und Konnektivität
Mechanisms
Funktionelle Systeme bestehen aus Schaltkreisen, in denen geordnete anatomische Verbindungen Berechnungen auf die neuronale Aktivität anwenden. Sensorische Systeme bilden Rezeptoroberflächen topographisch auf den Kortex ab und extrahieren entlang hierarchischer Bahnen zunehmend komplexere Merkmale, wie von Hubel und Wiesel für den visuellen Kortex und von Mountcastle für den somatosensorischen Kortex gezeigt wurde. Motorische und limbische Funktionen hängen teilweise von parallelen, teilweise segregierten Schleifen durch die Basalganglien und den Thalamus ab, die von Alexander und Kollegen beschrieben wurden. Auf der größten Skala bilden diese Schaltkreise strukturelle und funktionelle Netzwerke, deren Organisation mit graphentheoretischen Methoden analysiert werden kann, wie von Bullmore und Sporns zusammengefasst.
Clinical relevance
Die hier beschriebenen Systeme untermauern die klinische Neurologie und Psychiatrie: Störungen des Sehens, der Bewegung, der Empfindung, der Emotion und der Erregung lassen sich auf Dysfunktionen spezifischer Schaltkreise zurückführen. Dieser Eintrag erläutert die normale Organisation dieser Systeme als Hintergrund zum Verständnis von Krankheiten; es handelt sich um edukatives Referenzmaterial und nicht um eine Grundlage für individuelle Diagnosen oder Behandlungen.
Evidence & guidelines
Die Wissensbasis der Systemneurowissenschaften beruht auf konvergierenden Evidenzen aus Einzelzell-Elektrophysiologie, anatomischem Tracer-Tracking, Läsionsstudien und menschlicher Neurobildgebung und nicht auf klinischen Studien. Grundlegende Primärstudien (zum Beispiel Mountcastle sowie Hubel und Wiesel) etablierten die kolumnare und topographische Organisation des Kortex, und moderne Netzwerkanalysen integrieren diese in systemische Erklärungen; Standardreferenzbehandlungen finden sich in umfassenden Neurowissenschafts-Lehrbüchern.
History
Die Systemneurowissenschaften entwickelten sich aus den Bemühungen des 19. und 20. Jahrhunderts, Funktionen im Gehirn zu lokalisieren und sensorische und motorische Bahnen abzubilden. Die Einzelzellableitungen von Mountcastle im somatosensorischen Kortex und von Hubel und Wiesel im visuellen Kortex Mitte des 20. Jahrhunderts offenbarten die kolumnare und hierarchische Organisation des sensorischen Kortex, während spätere Arbeiten an Basalganglien-Schleifen und, neuerdings, an großskaliger Konnektomik das Feld von einzelnen Schaltkreisen auf Ganzhirnnetzwerke ausgedehnt haben.
Key figures
- Vernon Mountcastle
- David Hubel
- Torsten Wiesel
- Garrett Alexander
- Olaf Sporns
Related topics
Seminal works
- mountcastle-1957
- hubel-wiesel-1968
- alexander-1990
Frequently asked questions
- Wie unterscheiden sich Systemneurowissenschaften von zellulären oder molekularen Neurowissenschaften?
- Zelluläre und molekulare Neurowissenschaften untersuchen einzelne Neuronen, Synapsen sowie die darin enthaltenen Gene und Moleküle, während System- und Schaltkreisneurowissenschaften untersuchen, wie Gruppen von Neuronen zu Schaltkreisen und Systemen verschaltet sind, die Funktionen wie Sehen, Bewegen oder Emotionsregulation ausführen.
- Was zählt im Nervensystem als 'System'?
- Ein neuronales System ist eine Menge miteinander verbundener Strukturen, die zusammen eine kohärente Funktion erfüllen, wie das visuelle System, das motorische System oder das limbische System; jedes wird als organisierter Pfad mit charakteristischen Eingaben, Transformationen und Ausgaben untersucht.