Connectivity and cortical architecture

Abstract

Brain regions of the cerebral cortex differ in their cytoarchitecture as well as in the intrinsic connectivity within an area and the organization of macroscopic connections between different cortical areas. Nonetheless, it is not clear which rules underlie the relationship of cellular and fiber architecture, and how the characteristic cortical micro- and macro-connectivity are related to each other. In order to identify principles of cortical connectivity, we systematically investigate various parameters of cortical architecture and their relation to the organization of anatomical connections among cortical areas. Characteristic parameters of cortical architecture include the differential density and distribution of neurons and neuron types across the layers of cortical areas, as well as the regional distribution of different receptors of neurotransmitter systems. The cytoarchitectonic characterization of the brain is a classic approach of neuroanatomy, which recently has been supplemented by new techniques for labeling specific neural components as well as novel optical and analytical approaches. However, the systematic quantitative acquisition of architectonic and morphological parameters of the human brain has only just begun. It is a fundamental challenge to gather and quantify the extremely extensive and detailed histological data (“big data”) by novel image processing techniques. This challenge is taken up in the BigBrain project. Extensive anatomical data already exist for a number of animal models, for example, the brains of nonhuman primates, the cat or the mouse. However, for each single parameter it has to be demonstrated how far these data can be generalized across species. Previous analyses support the notion that the regionally specific cytoarchitecture of the cerebral cortex is closely linked to the existence and the laminar projection patterns of cortico-cortical connections. These results imply systematic relationships between the patterns of macroscopic connections among cortical areas and the regionally specific intrinsic circuitry within cortical areas. Such relations are the basis of generic models of multiscale cortical connectivity, which reflect essential anatomical and functional properties of mammalian cortical organization.

Zusammenfassung

Die zelluläre Architektur (Zytoarchitektur) der Areale der Großhirnrinde unterscheidet sich regional, ebenso wie die Verschaltungen innerhalb eines Areals und die Verbindungen zwischen den Arealen. Weitgehend unbekannt sind jedoch die genauen Regeln, nach denen die zelluläre und Faserbahnarchitektur zueinander in Beziehung stehen, und es fehlen Befunde, welche die charakteristische Organisation von kortikaler Mikro- und Makrokonnektivität umfassend erklären. Um Organisationsprinzipien kortikaler Konnektivität zu identifizieren, wurden systematisch unterschiedliche Parameter kortikaler Architektur und ihre Beziehung zur Organisation von anatomischen Verbindungen zwischen kortikalen Arealen untersucht. Charakteristische Parameter kortikaler Architektur sind zum Beispiel die unterschiedliche Dichte und Verteilung von Neuronen und Neuronentypen in den verschiedenen Schichten kortikaler Areale sowie die regionale Verteilung unterschiedlicher Rezeptoren von Neurotransmittersystemen. Die zytoarchitektonische Charakterisierung des Gehirns ist ein klassischer Ansatz der Neuroanatomie, der in den letzten Jahren durch neue Markierungstechniken sowie optische und analytische Verfahren ergänzt wurde. Dennoch steht die systematische, quantitative Erfassung von architektonischen und morphologischen Parametern für das menschliche Gehirn noch am Anfang. Es ist eine große Herausforderung, die extrem umfangreichen und detaillierten histologischen Daten („big data“) mittels neuartiger bildverarbeitender Techniken zu erfassen und zu quantifizieren. Diese Aufgabe wird beispielsweise im BigBrain-Projekt in Angriff genommen. Umfangreiche anatomische Daten existieren bereits für die Gehirne von nichtmenschlichen Primaten, der Katze oder der Maus, jedoch stellt sich für jeden einzelnen Parameter die Frage der Übertragbarkeit von Erkenntnissen zwischen den Spezies. Bereits vorliegende Analysen legen nahe, dass die regional spezifische Zytoarchitektur der Großhirnrinde eng mit der Existenz und den laminaren Projektionsmustern kortikaler Verbindungen verknüpft ist. Diese Ergebnisse implizieren systematische Beziehungen zwischen den Mustern makroskopischer Verbindungen zwischen verschiedenen kortikalen Arealen und den regional spezifischen intrinsischen Schaltkreisen innerhalb von kortikalen Arealen. Solche Regelmäßigkeiten sind die Basis für generische Modelle globaler kortikaler Konnektivität, welche essenzielle anatomische und funktionelle Eigenschaften der kortikalen Organisation des Säugetiergehirns abbilden.