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Der Zwergtintenfisch, dessen Haut seine Farbe je nach dem ändert, was er sieht und fühlt, könnte Neurowissenschaftlern helfen, neue Fragen zu stellen und zu beantworten

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Alles mit drei Herzen, blauem Blut und Haut, das wie eine Ausstellung auf dem Times Square die Farbe ändern kann, wird wahrscheinlich die Blicke auf sich ziehen. Treffen Sepia bandensis, besser bekannt als der tarnende Zwergtintenfisch. In den letzten drei Jahren hat ein Team unter der Leitung von Neurowissenschaftlern an der Zuckerman University of Columbia, zu dem auch Datenexperten und Webdesigner gehören, einen Gehirnatlas dieses faszinierenden Kopffüßers zusammengestellt: eine neuroanatomische Roadmap, die zum ersten Mal die gesamte 32-lappige Struktur des Gehirns sowie seine zelluläre Organisation darstellt.

Der Zwergtintenfisch ist ein Meister der Tarnung. Innerhalb von Millisekunden kann das Tier sowohl sein Hautmuster als auch seine Textur verändern, um sich dynamisch in seine Umgebung einzufügen. Die Tarnung erfolgt visuell und wie seine Artgenossen, Tintenfische und Kraken, steuert der Tintenfisch seine Hautfarbe mit seinem Gehirn. Neuronen im Gehirn projizieren ihre Axone bis zur Haut, wo sie Hunderttausende Zellpixel (Chromatophore) steuern, um eine Farbänderung herbeizuführen.

Wenn sich ein Tintenfisch tarnt, reproduziert er das, was er auf seiner Haut sieht. Um dies zu erreichen, muss der Tintenfisch seinen visuellen Input in eine neuronale Darstellung im Gehirn umwandeln und dann ein Analogon dieser Darstellung auf seiner Haut nachbilden. Das Labor von Richard Axel, MD, möchte verstehen, wie der Tintenfisch diese erstaunliche Leistung vollbringt. Zu verstehen, wie die visuelle Welt im Gehirn dargestellt wird – sei es eines Kopffüßers oder eines Menschen – und wie diese Darstellung zu Gedanken und Verhaltensweisen führt, gehört zu den drängendsten Fragen der Neurowissenschaften.

Um die neuronale Grundlage der Tintenfischtarnung aufzudecken, müssen Mitglieder des Axel-Labors die Aktivität von Neuronen aus relevanten Regionen des Tintenfischgehirns aufzeichnen. Um den größtmöglichen wissenschaftlichen Wert aus diesen Aufzeichnungen zu ziehen, benötigen sie jedoch auch eine Karte des Gehirns, die bisher nicht verfügbar war. Deshalb startete das Team ein Projekt zur Erstellung eines neuroanatomischen Atlas des Gehirns von Zwergtintenfischen. Ihr Forschungsbericht, der das Projekt beschreibt, erscheint heute online in Aktuelle Biologiemit einer entsprechenden Website, Cuttlebase.org.

„Einer meiner Lieblingsansätze, um etwas über das Gehirn zu lernen, besteht darin, Lebewesen zu untersuchen, die auf bestimmte Verhaltensweisen oder Aufgaben hochspezialisiert sind, wie zum Beispiel Fledermäuse, die zur Navigation Echoortung nutzen, oder Vögel, die ein beeindruckendes räumliches Gedächtnis nutzen, um sich an die Standorte versteckter Nahrungsmittel zu erinnern“, sagte Tessa G. Montague, Ph.D., Erstautorin des Artikels und Postdoktorandin im Labor von Richard Axel, MD, ebenfalls Autor des Artikels.

„Wir hoffen und glauben, dass unser Gehirnatlas der Gemeinschaft dabei helfen wird, mehr über die Mechanismen zu erfahren, mit denen Tintenfische sich durch ihre Haut ausdrücken, und dass uns dies Einblicke in die Fähigkeit eines Gehirns geben kann, Informationen darzustellen“, sagte Dr. Montague.

Der Aufbau von Cuttlebase erforderte eine enge und engagierte Zusammenarbeit von Experten aus den Bereichen Neurowissenschaften, Gewebebildgebung, Computerprogrammierung, Anatomie und Webdesign. Für die zugrunde liegende Grundlage des Gehirnatlas scannte das Team die Körper und Gehirne von vier männlichen und vier weiblichen Tintenfischen mithilfe der Magnetresonanztomographie (MRT), einem diagnostischen Hauptinstrument für Ärzte. Ein Deep-Learning-Algorithmus, eine Art künstliche Intelligenz, half in den Scandaten dabei, die Gehirne der Tiere aus ihrem umgebenden Gewebe herauszulösen.

Co-Autorin Sabrina Gjerswold-Selleck, die kürzlich ihren Master an der Columbia University abgeschlossen hat und jetzt für Neuralink arbeitet, sagte, das Team habe mit der Forschung aufgrund der damit verbundenen Arbeit, die sie in der Gruppe von Co-Autorin Jia Guo an der Columbia mit MRT-Scans von Mäusen durchgeführt habe, einen guten Start gehabt.

„Wir hatten einen Deep-Learning-Ansatz entwickelt, der in der Lage war, die gehirnbezogenen Daten in jedem MRT-Scan von den Daten zu trennen, die mit anderen Gewebetypen in diesen Scans verknüpft waren“, sagte Gjerswold-Selleck. „Wir waren überrascht, wie gut wir die Technik anpassen konnten.“

Als nächstes mussten die Forscher durch den Vergleich der MRT-Scans mit nur einer Handvoll markierter Gehirnbilder aus den 1960er Jahren die Grenzen jedes Gehirnlappens von Zwergtintenfischen bestimmen. Dies war eine monumentale Anstrengung der Datenanalyse von sechs der Co-Autoren, die während der Pandemie Hunderte von Stunden damit verbrachten, die acht Tintenfisch-Datensätze zu beschreiben.

Dies führte zu Hunderten von Graustufenbildern mit Umrissen der Gehirnregionen, die beispielsweise den Umrissen von Bundesstaaten und Landkreisen in einem mehrseitigen Atlas der Vereinigten Staaten entsprachen. Um ihren Tintenfisch-Gehirnatlas so zu verbessern, dass er eine zelluläre Auflösung bietet – das entspricht einem detaillierten Atlas, der alle Straßen, Hügel, Seen und Flüsse der Bundesstaaten zeigt – griffen die Forscher auf histologische Techniken zurück, die die mikroskopische Struktur des Gewebes offenlegen. Dazu mussten die Biologen des Teams die Gehirne der Tintenfische sorgfältig zerschneiden und sie dann mit bunten chemischen Markierungen anfärben, die die Positionen von Gehirnzellen und -teilen, einschließlich Neuronen, Gliazellen und Axonen, markieren.

Eine von vielen Ansichten im Webtool Cuttlebase des mehrlappigen Gehirns des Zwergtintenfisches Sepia bandensis (Quelle: Tintenfischteam/Axis Lab/Zuckerman Institute)

Nachdem die Forscher schließlich den histologischen Atlas fertiggestellt und die acht MRT-Scans der Tintenfische mit Anmerkungen versehen hatten, fügten sie die acht Gehirne in einem einzigen Atlas zusammen. Insgesamt identifizierten sie 32 Lappen des Zwergtintenfisches, von denen sie die meisten anhand klassischer Studien von vor einem halben Jahrhundert mit spezifischen biologischen Funktionen und Verhaltensweisen in Verbindung bringen konnten. Die beiden größten Lappen, die Sehlappen, verarbeiten beispielsweise visuelle Eingaben aus den faszinierenden Augen des Tieres. Die Motoneuronen in den Chromatophorlappen steuern die Farbänderungsmechanismen in der Haut. Ein vertikaler Lappen ist mit Lernen und Gedächtnis verbunden.

Obwohl diese Analyse der Tintenfischdaten selbst von Bedeutung ist, „besteht der Hauptzweck des Papiers darin, über das Visualisierungs- und Forschungstool Cuttlebase zu berichten und alles frei verfügbar und für jedermann leicht zugänglich zu machen“, sagte Dr. Montague.

Mit intuitiver Leichtigkeit können Benutzer histologische Schnitte aufrufen, die verschiedene Gehirnregionen und Nerven spezifizieren; ein drehbares und zoombares 3D-Modell des Gehirns; und ein 3D-Modell der 26 Organe des Tintenfischs, einschließlich seiner drei Herzen, seines Tintenbeutels, seines Schnabels und seiner Nerven, die Signale zwischen dem Gehirn und seinen acht Armen übertragen. Alle Daten in Cuttlebase stehen anderen Forschern zur Verfügung, auf denen sie in ihren Laboren aufbauen können. Erklärungen zu den Gehirnlappen und andere benutzerfreundliche Funktionen bieten Lernressourcen für Nicht-Experten.

Die Co-Autoren Sukanya Aneja und Dana Elkis (Webingenieurin bzw. Webdesignerin des Teams) vom Interactive Telecommunications Program der New York University, die auch Mitglieder des Cuttlebase-Teams sind, spielten eine führende Rolle bei der Entwicklung der Website.

„Wir hatten viel Hin und Her darüber, wie wir alles, was wir hatten, in ein webbasiertes Erlebnis umsetzen könnten, das sowohl Wissenschaftler als auch Nichtwissenschaftler ansprechen würde“, sagte Aneja.

„Wir mussten Videos, Bilder, das 3D-Vorlagenhirn, Illustrationen, Diagramme und Diagramme kombinieren“, bemerkte Elkis.

Co-Autorin Isabelle Rieth, Doktorandin im Interdepartmental Neuroscience Program der Northwestern University und ehemaliges Mitglied des Cuttlebase-Teams, brachte zusätzliche Designfähigkeiten ein, um das, was sonst ein Schwarz-Weiß-Weberlebnis gewesen wäre, in ein Weberlebnis voller Farben zu verwandeln, das klarer macht, was Benutzer sehen.

So herausfordernd und arbeitsintensiv das Projekt für die Mitarbeiter auch war, sie können nicht umhin, von den Tintenfischen, mit denen sie arbeiten und über die sie lernen, fasziniert zu sein.

„Es ist faszinierend, die Tintenfische zu beobachten“, sagte Dr. Montague. „Wenn sie sich tarnen oder miteinander kommunizieren, verraten sie einem effektiv auf ihrer Haut, was sie sehen und wie sie sich fühlen.“

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Dieses Dokument wurde zuletzt am 27. August 2023 aktualisiert.

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Einverständniserklärung für Psychotherapie, Ernährungsberatung oder medizinische Beratung

Einleitung:

Zweck dieses Formulars ist es, Sie über Psychotherapie, Ernährungsberatung und medizinische Beratung zu informieren und Ihre Zustimmung zur Teilnahme an diesen Behandlungen einzuholen. Diese Dienstleistungen umfassen professionelle Beziehungen zwischen Ihnen und Ihrem Therapeuten, Ernährungsberater und Arzt, um auf Ihre emotionalen, ernährungsbezogenen und medizinischen Bedürfnisse einzugehen. Dieser Vordruck soll Ihnen Informationen geben, die Ihnen helfen, eine fundierte Entscheidung darüber zu treffen, ob Sie sich auf diese Behandlungen einlassen wollen oder nicht.

Qualifikationen des Therapeuten:

Ihr Therapeut ist eine zugelassene Fachkraft für psychische Gesundheit, die einen höheren Abschluss in Psychologie oder einem verwandten Fachgebiet erworben hat und für die Durchführung von Psychotherapie ausgebildet wurde. Ihr Ernährungsberater und Ihr Arzt sind ebenfalls zugelassene Fachleute mit Fachkenntnissen auf ihrem jeweiligen Gebiet. Sie sind bestrebt, Ihnen die bestmögliche Qualität der Betreuung zu bieten.

Ziele und Zielsetzungen:

Ziel der Psychotherapie ist es, Ihnen zu helfen, emotionale oder psychologische Schwierigkeiten zu überwinden, die Ihr Leben beeinträchtigen. Die Ernährungsberatung zielt darauf ab, Ihre Ernährungsbedürfnisse zu unterstützen, gesunde Essgewohnheiten zu fördern und auf spezifische Ernährungsprobleme einzugehen. Die medizinische Beratung konzentriert sich darauf, Sie medizinisch zu beraten, Ihnen Behandlungsmöglichkeiten aufzuzeigen und Ihre allgemeine Gesundheit zu fördern.

Behandlungsmethoden:

Ihr Therapeut wird eine Vielzahl von Behandlungsmethoden in der Psychotherapie anwenden, darunter Gesprächstherapie, kognitive Verhaltenstherapie, psychodynamische Therapie, Achtsamkeitstechniken oder andere Ansätze. Ihre Ernährungsberaterin wird Sie in Ernährungsfragen aufklären, personalisierte Essenspläne erstellen und Sie bei der Auswahl gesunder Lebensmittel beraten. Ihr Arzt wird Ihre Anamnese erheben, die notwendigen Untersuchungen durchführen, Sie zu Laboruntersuchungen überweisen und geeignete medizinische Behandlungen empfehlen.

Risiken und Vorteile:

Psychotherapie, Ernährungsberatung und medizinische Beratung können in verschiedener Hinsicht von Nutzen sein, z. B. zur Verbesserung des emotionalen Wohlbefindens, zur Verbesserung der Ernährung und zur Förderung einer besseren körperlichen Gesundheit. Allerdings sind mit diesen Behandlungen auch einige Risiken verbunden. Zu den Risiken gehören unangenehme Emotionen während der Therapie, mögliche Veränderungen in Ihren Beziehungen und die Möglichkeit, schwierige Ernährungs- oder medizinische Fragen anzusprechen.

Vertraulichkeit:

Ihr Therapeut, Ihr Ernährungsberater und Ihr Arzt verpflichten sich, Ihre Privatsphäre zu schützen, und behandeln alle während der Sitzungen besprochenen Informationen vertraulich, mit einigen Ausnahmen. Zu diesen Ausnahmen gehören Situationen, in denen die unmittelbare Gefahr besteht, sich selbst oder anderen Schaden zuzufügen, oder in denen eine gesetzliche Verpflichtung zur Offenlegung von Informationen besteht.

Dauer und Häufigkeit der Sitzungen:

Die Dauer und Häufigkeit der Therapiesitzungen, Ernährungsberatungen und medizinischen Beratungstermine hängen von Ihren individuellen Bedürfnissen und Zielen ab. In der Regel werden die Therapie- und Beratungssitzungen wöchentlich oder zweiwöchentlich angesetzt und dauern etwa 50 Minuten. Ernährungsberatungstermine dauern bis zu 45 Minuten, medizinische Beratungstermine bis zu 30 Minuten, wobei die Häufigkeit der Termine variieren kann.

Gebühren und Bezahlung:

Die Gebühren werden pro Sitzung oder Termin berechnet und können von der Krankenkasse übernommen werden, wenn Sie die Möglichkeit dazu haben.

Für den Versicherungsschutz ist es wichtig, dass Sie Ihre Versicherungspolice und den Versicherungsschutz verstehen. Sie sollten die detaillierte Rechnung von Cure of Mind an Ihren Versicherer weiterleiten und mit ihm besprechen, ob die Leistungen des Therapeuten, des Ernährungsberaters und des Arztes gemäß den Bedingungen Ihres Versicherungsplans erstattungsfähig sind.

Einverstanden:

Indem Sie das Kästchen “Informierte Zustimmung” auf dem Buchungsformular ankreuzen, bestätigen Sie, dass Sie die bereitgestellten Informationen gelesen und verstanden haben und dass Sie die Möglichkeit hatten, die auf Cure of Mind bereitgestellten Informationen über Psychotherapie, Ernährungsberatung und medizinische Beratung zu lesen und Fragen in unserem Help Center oder bei Ihrem ersten Termin mit einem unserer Fachleute zu stellen. Sie erklären sich mit der Teilnahme an diesen Behandlungen einverstanden und wissen, dass Sie Ihre Zustimmung jederzeit zurückziehen können.

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