Neuronale Schaltkreise identifiziert

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Neu entdeckte Nervenzellen – neuronale Schaltkreise – lösen Bewegungsvorgänge aus und beliefern das Ortsgedächtnis mit Tempodaten.

BonnerWissenschaftler des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) und der Universität Bonn um Prof. Stefan Remy haben in den Hirnen von Mäusen neuronale Schaltkreise identifiziert, die für die Fortbewegung und die Navigation im Raum von zentraler Bedeutung sind. Diese auch beim Menschen vermuteten Nervenzellen geben Startsignale zur Fortbewegung und versorgen das Gehirn mit Geschwindigkeitsinformationen. Diese Untersuchungen liefern neue Erkenntnisse darüber, wie das Ortsgedächtnis arbeitet. Dies könnte zu einem besseren Verständnis von Hirnfunktionsstörungen – wie M. Parkinson – führen.

Mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit steigt die Datenrate

In vertrauter Umgebung bewegen wir uns zielgerichtet. Dann folgt unser Gang – etwa vom Büroschreibtisch zum Pausenkaffee – wie selbstverständlich einer vorgezeichneten Route, die in unserem Gedächtnis abgespeichert ist: Durch die Bürotür, links auf den Flur, vorbei an der Fensterreihe. Um uns auf Kurs zu halten, muss unser Gehirn blitzschnell wechselnde Sinneseindrücke verarbeiten. „Das ist eine grundsätzliche Aufgabe, mit der unser Gehirn umgehen muss. Nicht nur auf dem Weg zur Kaffeemaschine, sondern immer dann, wenn wir uns fortbewegen. Also auch auf dem Fahrrad oder im Auto“, erläutert Remy. Mit zunehmendem Tempo steige die Datenrate, betont er: „Je schneller wir uns fortbewegen, umso weniger Zeit bleibt dem Gehirn, Umgebungsreize aufzunehmen und mit unserem Ortsgedächtnis abzugleichen. Unsere Wahrnehmung muss daher Schritt halten mit der Bewegungsgeschwindigkeit, damit wir den richtigen Weg wiederfinden. Sonst landen wir statt an der Kaffeemaschine vor dem Kopiergerät.“

Rhythmische Schwankungen im Hippokampus

Schon länger ist bekannt, dass der Hippokampus – diese Hirnregion gilt als Schaltzentrale des Erinnerungsvermögens, insbesondere des Ortgedächtnisses – sich dem Lauftempo anpasst. „Im Hippokampus kommt es zu rhythmischen Schwankungen der elektrischen Aktivität. Je schneller die Fortbewegung, desto häufiger feuern bestimmte Nervenzellen“, so Remy. „Die erhöhte Taktfrequenz sensibilisiert das Gehirn. Es wird empfänglich für die wechselnden Sinneseindrücke, die bei einer Bewegung verarbeitet werden müssen.“

Doch woher weiß das Gehirn überhaupt, wie schnell eine Bewegung erfolgt? Darauf gab es bislang keine Antwort. Remy und seine Kollegen haben den Mechanismus nun entschlüsselt. Dazu stimulierten sie bei Mäusen gezielt bestimmte Hirnareale und erfassten die daraus folgende Hirnaktivität sowie das Laufverhalten. „Bei Mäusen haben wir die neuronalen Schaltkreise identifiziert, die das Ortsgedächtnis an die Bewegungsgeschwindigkeit koppeln. Dieses Zusammenspiel ist eine wichtige Grundlage für ein funktionierendes räumliches Gedächtnis“, sagt Remy. „Beim Menschen vermuten wir ähnliche Nervenzellen, denn die Gehirne von Maus und Mensch sind sehr ähnlich aufgebaut.“

Neurale Schaltkreise steuern Bewegungsgeschwindigkeit

Die betreffenden Nervenzellen liegen innerhalb des „medialen Septums“ in direkter Nachbarschaft des Hippokampus. Es handelt sich um eine relativ kleine Gruppe von wenigen tausend Zellen. „Diese nehmen Informationen von den Sinnesorganen und dem Bewegungsapparat auf, ermitteln daraus das Bewegungstempo und leiten diese Informationen an den Hippokampus weiter. Somit stellen sie das Ortgedächtnis darauf ein, die wechselnden Sinnesreize während der Bewegung zu verarbeiten“, beschreibt Remy die Situation. Doch diese Schaltkreise haben noch weitere Funktionen. „Wir haben festgestellt, dass sie auch das Startsignal für eine Fortbewegung geben und die Bewegungsgeschwindigkeit aktiv steuern. Bislang wurde diese Steuerfunktion beinahe ausschließlich der motorischen Großhirnrinde zugeschrieben.“

Die nun gefundenen Nervenzellen sind mit Hirnarealen vernetzt, die beim Menschen von der Parkinson-Krankheit betroffen sind. Diese Erkrankung löst Bewegungsstörungen aus und kann auch zu einer Demenz führen. „Insofern geben unsere Ergebnisse nicht nur Aufschluss darüber, wie das Ortsgedächtnis arbeitet. Sie haben das Potential, auch neue Erkenntnisse darüber zu liefern, wie sich Parkinson auf das Gedächtnis und die Ausführung von Bewegungen auswirkt“, meint Remy.

Originalveröffentlichung
„Locomotion, Theta Oscillations, and the Speed-Correlated Firing of Hippocampal Neurons Are Controlled by a Medial Septal Glutamatergic Circuit”, Falko Fuhrmann, Daniel Justus, Liudmila Sosulina, Hiroshi Kaneko,Tatjana Beutel, Detlef Friedrichs, Susanne Schoch, Martin Karl Schwarz, Martin Fuhrmann, Stefan Remy, Neuron 2015, doi: 10.1016/j.neuron.2015.05.001

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