Wissenschaftler untersuchen die Quelle eines pulsierenden Signals im schlafenden Gehirn
Die „langsamen Wellen“ des Gehirns sind rhythmische Signalimpulse, die im Tiefschlaf durch das Gehirn laufen und vermutlich eine Rolle bei Prozessen wie der Festigung des Gedächtnisses spielen.
Eine neue Studie, die auf der optischen Untersuchung intakter Gehirne lebender Mäuse unter Narkose basiert, hilft Wissenschaftlern, den zugrunde liegenden Stromkreis langsamer Wellen zu verstehen. So erfuhren die Forscher, dass langsame Wellen in der Großhirnrinde beginnen, dem Teil des Gehirns, der für die kognitiven Funktionen verantwortlich ist. Sie fanden auch heraus, dass eine solche Welle von einer winzigen Gruppe von Neuronen in Bewegung gesetzt werden kann.
Der Forscher Prof. Arthur Konnerth von der Technischen Universität München sagte:
Das Gehirn ist eine Rhythmusmaschine, die ständig alle Arten von Rhythmen erzeugt. Dies sind Uhren, die dazu beitragen, viele Teile des Gehirns auf einer Seite zu halten. Ein solcher Zeitnehmer erzeugt die sogenannten langsamen Wellen des Tiefschlafes, die vermutlich dazu beitragen, Fragmente eines Tageserlebnisses in ein bleibendes Gedächtnis zu verwandeln. Sie können in sehr frühen Entwicklungsstadien beobachtet werden und können bei Krankheiten wie Alzheimer gestört sein.
Ein kurzer Lichtimpuls, der über eine optische Faser an einen lokalen Cluster von Neuronen abgegeben wird, kann eine Welle neuronaler Aktivität auslösen, die sich über den gesamten Kortex ausbreitet. Hier anhand eines Computermodells des Mausgehirns dargestellt, wird das eigentliche Experiment am intakten Gehirn einer lebenden Maus unter Betäubung durchgeführt. Bildnachweis: Prof. Albrecht Stroh / Copyright Universität Mainz
Das Münchner Team von Konnerth hat in Zusammenarbeit mit Forschern von Stanford und der Universität Mainz Licht verwendet, um langsame Wellen zu stimulieren und sie in beispiellosen Details zu beobachten. Ein zentrales Ergebnis bestätigte, dass die langsamen Wellen nur im Kortex entstehen, was andere langjährige Hypothesen ausschließt.
Professor Konnerth sagte:
Die zweite wichtige Erkenntnis war, dass von den Milliarden von Zellen im Gehirn nicht mehr als ein lokaler Cluster von fünfzig bis einhundert Neuronen in einer tiefen Schicht der Kortikalis, genannt Schicht 5, erforderlich ist, um eine Welle zu erzeugen, die sich über das Gehirn erstreckt gesamtes Gehirn.
Das Forscherteam verwendete eine Technik namens "Optogenetik", bei der Forscher lichtempfindliche Kanäle in bestimmte Arten von Neuronen einfügen, um sie auf die Lichtstimulation ansprechen zu lassen. Dies ermöglichte eine selektive und räumlich definierte Stimulation einer kleinen Anzahl von kortikalen und Thalamusneuronen.
Eine neuartige Technik namens Optogenetik ermöglicht es Forschern, lichtempfindliche Kanäle in bestimmte Arten von Neuronen einzufügen, die in dieser mikroskopischen Aufnahme grün dargestellt sind. Andere Neuronen sind rot dargestellt. Über eine Lichtleitfaser (rechts) können Wissenschaftler diese Zellen mit Licht stimulieren und ihre Reaktion aufzeichnen. Bildnachweis: Prof. Albrecht Stroh, Prof. Arthur Konnerth / Copyright TU München
Der Zugang zum Gehirn über optische Fasern ermöglichte sowohl die mikroskopische Aufzeichnung als auch die direkte Stimulation von Neuronen. Lichtblitze in der Nähe der Augen der Maus wurden auch verwendet, um Neuronen im visuellen Kortex zu stimulieren. Die Forscher zeichneten den Fluss von Calciumionen auf - ein chemisches Signal, mit dem die elektrische Aktivität räumlich genauer abgelesen werden kann, um die langsamen Wellen sichtbar zu machen. Sie konnten auch beobachten, wie sich einzelne Wellenfronten ausbreiteten - wie Wellen von einem Felsen, der in einen ruhigen See geworfen wurde -, zuerst durch die Hirnrinde und dann durch andere Hirnstrukturen.
Die Forscher sagten, dass ein überraschend einfaches Kommunikationsprotokoll im langsamen Wellenrhythmus zu sehen ist. Während eines einsekündigen Zyklus wird das Signal eines einzelnen Neuronenclusters stummgeschaltet, und alle anderen werden stummgeschaltet, als ob sie das Gehirn abwechselnd in Fragmente von Erfahrung oder Lernen tauchen und so Bausteine des Gedächtnisses bilden.
Fazit: Eine 2013 durchgeführte Studie eines internationalen Wissenschaftlerteams, die auf der optischen Untersuchung intakter Gehirne lebender Mäuse unter Narkose basiert, hilft Wissenschaftlern, den zugrunde liegenden Kreislauf langsamer Wellen zu verstehen.
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