Neuroethologie

Eine Ampel für die Wahrnehmung

Wissenschaftler der Forschungsgruppe „In Silico Brain Sciences“ am Forschungszentrum Caesar entschlüsseln, wie Informationen im Gehirn weitergeleitet werden.

Blick ins Gehirn: Pyramidenbahn-Neurone im Neokortex der Ratte. Die Farben spiegeln die unterschiedlichen Hirnregionen wider, die in diese Zellen die Ergebnisse neuronaler Berechnungen weiterleiten. © Dr. Marcel Oberlaender / Forschungszentrum caesar

Wir sehen, riechen, hören und spüren Berührungen entlang unserer Haut. In jedem Moment verarbeitet unser Gehirn diese Sinneseindrücke und setzt sie in Wahrnehmung um. Diese Wahrnehmung beeinflusst schlussendlich unser Verhalten. Jener Teil des Gehirns, der sensorische Eindrücke in Wahrnehmung und Verhalten umwandelt, ist der Neokortex. Diese insbesondere in Säugetieren zu findende Struktur ist die nur wenige Millimeter dicke Außenschicht des Gehirns. Sie wird daher auch als Großhirnrinde bezeichnet. Diese Schicht hat es in sich: Der Neokortex ist vollgepackt mit Nervenzellen, welche sich zu komplexen Netzwerken verbinden. Jeder Kubikmillimeter enthält hunderttausende Nervenzellen, die bis zu einer Milliarde synaptischer Verbindungen miteinander eingehen. Der Neokortex ist die komplexeste Struktur, die in der Biologie bekannt ist.

Der Neokortex - Rechenzentrale des Verhaltens
Die Faszination des Neokortex liegt aber nicht nur in der Struktur, sondern auch in dessen Funktionsweise. Durch das komplexe Zusammenspiel vieler Nervenzellen kombinieren die Netzwerke des Neokortex sensorische Informationen und erstellen daraus ein umfassendes Sinnesbild unserer Umwelt. Die Weiterleitung dieser Ergebnisse kortikaler Berechnungen in tiefere Hirnregionen ist somit ein wesentlicher Baustein unseres Verhaltens. Die Nervenzellen, welche die Ergebnisse kortikaler Berechnungen weiterleiten, sind seit Jahrzehnten bekannt. So genannte Pyramidenbahn-Neurone empfangen Informationen von tausenden Nervenzellen, die im gesamten Neokortex verteilt sein können, und erstellen daraus ein Ausgangssignal.

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Experiment plus Computersimulation
Die Erforschung der Funktion neuronaler Netzwerke ist schwierig. Auch wenn man messen kann, wie Nervenzellen auf sensorische Information reagieren, ist es bislang nicht möglich, die Grundlagen dieser Aktivitätsmuster zu enthüllen. Um dieses Problem in den Neurowissenschaften zu lösen, kombinierte die caesar-Forschungsgruppe „In Silico Brain Sciences“ Messungen im Tasthaarsystem von Ratten mit Computersimulationen. Dazu wurde die Aktivität aller Nervenzellen, die potenziell zu einem Ausgangssignal während sensorischer Wahrnehmung beitragen, gemessen und anschließend im Computer simuliert, wie die Pyramidenbahn-Neurone diese Informationen verarbeiten.

Die Ampel für den Neokortex
Diese Simulationen konnten nicht nur die Messungen im lebenden Tier reproduzieren, sondern machten Vorhersagen darüber, welche Nervenzellen im Gehirn die Ausgangsignale des Neokortex steuern. Hierbei machten die Forscher eine spannende Entdeckung. Sie identifizierten spezielle Nervenzellen, welche die Ausgangssignale der Pyramidenbahn-Neurone regeln. Diese Zellen wirken sozusagen wie eine Verkehrsampel. Erst wenn sie aktiv werden, und „grünes Licht“ geben, leiten die Pyramidenbahn-Neurone Information aus dem Neokortex weiter. Die Ergebnisse der Studie wurden im Fachjournal Neuron veröffentlicht.

„Das Bild einer Ampel passt recht gut“, sagt Dr. Oberlaender, Leiter der Studie. „Was wir gefunden haben zeigt, dass sensorische Informationen, die den Neokortex erreichen, zunächst hochspezielle Nervenzellen aktivieren. Ohne diese Zellen könnte keine Information den Neokortex verlassen. Diese Zellen schalten Pyramidenbahn-Neurone quasi auf grün.“ Die Wissenschaftler enthüllen damit ein grundlegendes Prinzip, wie sensorische Information in Verhalten umgewandelt wird.

Originalpublikation:
Egger, Narayanan et al., Cortical Output Is Gated by Horizontally Projecting Neurons in the Deep Layers, Neuron (2019),
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.10.011

Quelle: Caesar

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