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Besitzt unser Gehirn ein eigenes Metronom?

Das Metronom gibt den Takt vor - auch unser Gehirn scheint solche Taktgeber zu besitzen. (Bild: arrfoto/ istock)

Das klassische Metronom hilft Musikern dabei, beim Spielen eines Stücks den Takt zu halten. Denn durch sein Ticken in gleichmäßigen Zeitintervallen gibt es ein konstantes Tempo vor. Auch unser Gehirn könnte einen solchen Taktgeber besitzen, um neuronale Prozesse in Einklang zu bringen. Forscher haben dieses Metronom unseres Denkorgans nun womöglich aufgespürt. Denn ein bisher unbekannter Subtyp von Neuronen zeigt unabhängig von äußeren Reizen eine kontinuierlich gleichmäßige Aktivität – und scheint bei Mäusen die Wahrnehmung von Berührungsreizen zu verbessern.

Auf unser Gehirn strömen sekündlich unzählige Informationen unterschiedlicher Art ein. Um diese adäquat verarbeiten zu können, müssen eine Vielzahl von Hirnregionen koordiniert zusammenarbeiten. Doch wie gelingt das? Neurologen vermuten in diesem Zusammenhang schon länger, dass unser Denkorgan eine Art Synchronisator oder Metronom besitzt. Dieser Taktgeber, so die Annahme, bringt Signale aus unterschiedlichen Bereichen des Gehirns gewissermaßen in Einklang und koordiniert auf diese Weise unter anderem die Verarbeitung sensorischer Reize. „Die Aktivität der unterschiedlichen beteiligten Hirnzellen ergibt erst so ein schlüssiges Wahrnehmungsbild, eine Einheit“, erklären Hyeyoung Shin von der Brown University in Providence und ihr Kollege Christopher Moore.

Allerdings: Wie dieses Metronom genau aussieht und wo es sich befindet, ist bislang strittig. Einige Forscher glauben den Taktgeber des Gehirns in Form der sogenannten Gammawellen gefunden zu haben – Hirnströmen, die im Frequenzbereich von 30 bis 55 Hertz schwingen. „Manche sehen die Gamma-Rhythmen als die magische, vereinheitlichende Uhr, die Signale unterschiedlicher Hirnregionen synchronisiert. Andere halten die Wellen in diesem Kontext dagegen für völlig unbedeutend“, berichtet Moore. Für letztere These spricht unter anderem die Beobachtung, dass sich die Gammawellen als Reaktion auf sensorische Reize verändern. Ein Taktgeber sollte dagegen unabhängig von solchen Faktoren immer gleichmäßig „ticken“.

Ein besonderer Typ von Neuronen

Um mehr über den Einfluss sensorischer Reize auf die neuronale Aktivität im Bereich der Gammawellen herauszufinden, haben Shin und Moore nun Untersuchungen mit Mäusen durchgeführt. Im Experiment bewegten sie ganz leicht die Tasthaare der Nager und beobachteten, was dabei in der für die Registrierung solcher Berührungen und Bewegungen zuständigen Hirnregion passierte. Was veränderte sich im Gehirn abhängig davon, ob die Nager die Berührungen noch wahrnehmen konnten oder nicht? Im Unterschied zu früheren Studien leiteten die beiden Wissenschaftler dabei nicht nur die durchschnittliche Aktivität aller Neuronen in dieser Hirnregion ab. Sie schauten sich einzelne Hirnzellen an und konnten so auch Auffälligkeiten entdecken, die sonst leicht übersehen werden.

Die Auswertungen offenbarten: Einige der von den Forschern beobachteten Neuronen veränderten ihre Aktivität wie erwartet als Reaktion auf die über die Tasthaare vermittelten Reize. Doch Shin und Moore entdeckten auch einen Subtyp von Hirnzellen, der nicht auf diese sensorischen Signale zu reagieren schien. Stattdessen feuerte diese Unterart der sogenannten „fast spiking interneurons“ (FSs) kontinuierlich und gleichmäßig in dem für Gammawellen typischen Intervall – egal, welche Reize gerade von den Tasthaaren ins Gehirn gelangten. Interessanterweise war die Aktivität aller Neuronen dieses Subtyps auch noch auffällig synchron. Könnte es sich hierbei um die lange gesuchten Metronom-Neuronen handeln?

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Gleichtakt verbessert Wahrnehmung

Weitere Untersuchungen zeigten, dass dieser neu entdeckte Zelltyp für die Wahrnehmung der Mäuse offenbar tatsächlich eine wichtige Rolle spielt. Je gleichmäßiger die Neuronen „tickten“, desto besser konnten die Nager selbst subtile Berührungen wahrnehmen. Indem sie im Gehirn den Takt vorgeben, scheinen die Metronom-Neuronen die sensorische Wahrnehmung der Tiere zu verbessern, wie die Wissenschaftler berichten. Weitere Studien sollen nun zeigen, ob solche Taktgeber auch in anderen Hirnbereichen vorkommen – und ob auch Menschen diesen speziellen Neuronen-Subtyp besitzen.

Bestätigt sich die Vermutung, dass die neu entdeckten Hirnzellen von Bedeutung für die optimale Kommunikation innerhalb des Gehirns sind, könnten sich dadurch auch neue Erkenntnisse zu einer Reihe von Krankheitsbildern ergeben. Den Forschern zufolge wurden Hirnzellen aus der Gruppe der „fast spiking interneurons“ bereits mit Störungen wie Autismus, Schizophrenie und ADHS in Verbindung gebracht. Ihrer Ansicht nach ist es daher durchaus denkbar, dass auch Veränderungen der Metronom-Neuronen in diesem Zusammenhang eine Rolle spielen könnten. Zunächst einmal sei aber mehr Forschung nötig, um die Funktionsweise dieses neuen Hirnzellen-Subtyps besser zu verstehen.

Quelle: Hyeyoung Shin (Brown University, Providence) et al., Neuron, doi: 10.1016/j.neuron.2019.06.014

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