Hot Spots sichtbar gemacht

Wo Erinnerungen auf Erfahrungen treffen

„Wahrnehmung ist, wenn unser Gehirn Erfahrungen mit neuen Informationen aus Sinneswahrnehmungen verknüpft“, erklärt Matthew Larkum, Professor für Neuronale Plastizität an der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) und Leiter des Larkum Labs.

Gehirn

Gehirn | Lars Ebbersmeyer, CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons

In einer aktuellen Studie konnten Prof. Larkum und sein Team nun einen wesentlichen Mechanismus der Wahrnehmung im Gehirn ausfindig machen und ihn gezielt manipulieren. Ihre Ergebnisse stellte das Team kürzlich vor. Basierend auf jahrelanger Vorarbeit schafften es die Wissenschaftler, die Teile von Nervenzellen sichtbar zu machen, an denen Erinnerungen und externe Informationen zusammenfließen: die „hot spots“ der feinen Prozesse der Nervenzellen. „Hier verteilt das Gehirn die ‚Rechenleistung‘ parallel auf zahlreiche Neuronen und ist so in der Lage, unvorstellbar große Mengen von Informationen zusammenzuführen“, erklärt Larkum. „Diese hot spots lassen sich vermutlich in allen Prinzipalneuronen der Hirnrinde nachweisen.“

Optogenetik genutzt

Der Physiologe und sein Team brachten fluoreszierende Proteine in den Neuronen an, die empfindlich auf Kalzium reagieren. Fließen nun Kalzium-Ionen durch die präparierten Nervenzellen, lösen sie einen Lichtblitz aus. Diesen konnten die Forscher mit einem Zwei-Photonen-Mikroskop im lebenden Gehirn sehen. „In einem einzigen Bild konnten wir so um die 100 aktivierte hot spots erkennen. Etwa 20 Prozent davon hingen mit der Wahrnehmung zusammen“, sagt Larkum.

Aktivität von Nervenzellen

Indem sie Nervenzellrezeptoren an lichtsensitive Pigmente aus der Netzhaut koppelt, erforscht Prof. Dr. Olivia Masseck von der Ruhr-Universität Bochum die Ursachen für Angst und Depression. Die sogenannte Optogenetik erlaubt es, die Funktion einzelner Rezeptoren zu ergründen.

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Diese Erkenntnisse nutzten die Physiologen, um die Schwelle bewusster Wahrnehmung von Mäusen zu manipulieren: „Unsere Versuche zeigten, dass wir hot spots und damit das Wahrnehmungsverhalten der Tiere gezielt unterdrücken konnten, wenn wir bestimmte Neuronen mit Licht beleuchteten“, erklärt Larkum. Hierfür nutzten sie Werkzeuge der Optogenetik, die mit Licht Neuronen im Gehirn stimulieren können. „So haben wir zum ersten Mal zeigen können, dass der Ort der Wahrnehmung im Gehirn in direktem Verhältnis zum Verhalten des Tieres steht.“

Demenz oder Autismus besser verstehen

Die Forschungsergebnisse vom Matthew Larkum und seinem Team könnten dazu beitragen, Entstehungsmechanismen bewusster Wahrnehmung besser zu verstehen. „Wir hoffen, dass diese neuen Erkenntnisse der Schlüssel zum Entsperren der Grundprinzipien der Hirnrinden-Funktion sind“, so Larkum. „Das könnte uns helfen, Intelligenz ebenso zu verstehen wie häufige Krankheiten, welche die kognitive Funktion beeinflussen, wie zum Beispiel Demenz oder Autismus.“ (idw, red)

 

Literatur:

Takahashi, N, Oertner, T, Hegemann, P, Larkum, ME: Active cortical dendrites modulate perception. Science (2016), DOI: 10.1126/science.aah6066.