Die sequentielle Neuronenaktivität in verschiedenen Hirnregionen ist mit dem Verhalten verbunden. Dabei stellte sich heraus, dass neuronale Netzwerke bewusst trainiert werden können, um bestimmte Abfolgen zu erzeugen. „Gleichzeitig wissen wir, dass nicht jedes Verhalten gelernt ist. Angeborenes Verhalten deutet darauf hin, dass das Gehirn bestimmte Abfolgen erzeugt, ohne sie zu lernen und zu trainieren“, sagt Arvind Kumar, der die Studie leitete. Die Wissenschaftler widmeten sich daraufhin der Frage, wie ein untrainiertes Gehirn gut geordnete Aktivitätssequenzen erzeugen kann.
Sie fanden dafür zwei Bedingungen: Erstens müssen Neuronen bei einem kleinen Teil ihrer Projektionen, also ihre Verbindungen zu nachgeschalteten Neuronen, eine bestimmte Richtung bevorzugen. Zweitens müssen benachbarte Neuronen dieselbe bevorzugte Richtung teilen. Das bedeutet, dass die Verbindungen von Nervenzellen richtungsabhängig und räumlich miteinander verbunden sind. Dies ist der Schlüssel zur Erzeugung sequentieller Aktivität in neuroyalen Netzwerken. Wenn das Netzwerk nach diesen Regeln verdrahtet ist, entsteht eine Art Aktivitätslandschaft, die dem geografischen Raum mit Hügeln und Tälern ähnelt. Die Sequenzen der neuronalen Aktivität sind in dieser Metapher wie die Flüsse in einer Landschaft. Kleine Variationen im räumlichen Gefüge der Nervenzellen erzeugen bestimmte zeitliche und räumliche Sequenzen neuronaler Aktivität. Um das Modell zu verifizieren, müssen jedoch die Formen und Verbindungen benachbarter Neuronen gemessen werden. Interessanterweise können Neuromodulatoren, das sind chemische Substanzen wie beispielsweise Dopamin, eine wie oben geforderte Konnektivität im Gehirn erzeugen, und zwar auf dynamische, kontextabhängige Weise.