Tiefer Blick ins denkende Gehirn - wissenschaft.de
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Tiefer Blick ins denkende Gehirn

Blick durch sämtliche Schichten des visuellen Kortex (Bild: Murat Yildirim et al.)

Die Funktionsweise des Gehirns ist faszinierend und rätselhaft zugleich. Obwohl die Wissenschaft inzwischen einiges über unser Denkorgan weiß, birgt es noch immer viele Geheimnisse. Neue bildgebende Verfahren sollen das jedoch in Zukunft ändern: Forschern ist es mithilfe einer solchen Methode nun gelungen, Mäuse beim Denken zu beobachten. Zum ersten Mal haben sie dabei durch sämtliche Schichten des Cortex geblickt – und einige Überraschungen entdeckt.

Neurowissenschaftler sind in den letzten Jahren immer tiefer in die Struktur und Physiologie des menschlichen Gehirns vorgedrungen. Technische Fortschritte wie die Entwicklung der sogenannten Multi-Photonen-Mikroskopie eröffnen heute so tiefe Einblicke in unser Denkorgan wie nie zuvor. Bei diesem Verfahren werden lebende Gewebe mit stark fokussiertem Laserlicht bestrahlt und Atome oder Moleküle mithilfe mehrerer gleichzeitig eintreffender, langwelliger Photonen angeregt. Während klassische Lichtmikroskopie-Techniken nur die oberflächlichen Strukturen des Gehirns erfassen können, sind mit der Multi-Photonen-Mikroskopie auch hochaufgelöste Aufnahmen von tieferliegenden Gewebeschichten möglich.

Murat Yildirim vom Massachusetts Institute of Technology und seine Kollegen haben diese Methode nun weiter verfeinert. Mithilfe einer optimierten Version der 2013 entwickelten Drei-Photonen-Mikroskopie ist es ihnen zum ersten Mal gelungen, einen Blick durch sämtliche Schichten des Kortex eines Mäusegehirns zu werfen – und den Tieren gewissermaßen beim Denken zuzuschauen. „Indem wir das optische Design und andere Parameter für die Messungen am lebenden Gehirn verändert haben, konnten wir Entdeckungen machen, die vorher nicht möglich waren“, berichtet Koautor Mriganka Sur.

Neuronen in Aktion

Um zu demonstrieren, was mit dem neuen Verfahren machbar ist, konfrontierten die Forscher Mäuse mit visuellen Reizen – unter anderem Gittermuster mit jeweils unterschiedlichen Ausrichtungen, die sich über einen Bildschirm bewegten. Wie würden die Hirnzellen des visuellen Kortex darauf reagieren? Dies konnten Yildirim und seine Kollegen mithilfe ihres Mikroskops beobachten, weil sie die Zellen zuvor genetisch nicht nur so verändert hatten, dass sie bei Anregung mit Laserlicht fluoreszieren – sondern dies abhängig vom Calciumspiegel in ihrem Inneren tun. Da der Calciumspiegel mit der Aktivität der Nervenzellen zusammenhängt, ließen sich die Zellen auf diese Weise in Aktion beobachten.

Der Blick durch alle sechs Schichten des Cortex offenbarte, dass die Zellen in den unterschiedlichen Schichten jeweils anders auf visuelle Reize reagieren. So schienen die Neuronen in der zweittiefsten Schicht eher unspezifisch auf eine Vielzahl von Muster-Ausrichtungen zu reagieren. Außerdem zeigten sie mehr spontane Aktivität als Zellen in anderen Schichten und schienen zudem stärker mit tieferliegenden Bereichen des Gehirns vernetzt zu sein, wie das Forscherteam berichtet. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei den Neuronen in Schicht sechs offenbar um „Spezialisten“: Sie reagierten spezifischer, je nachdem, welche Ausrichtung die präsentierten Muster hatten.

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Überraschung unterhalb des Cortex

Wie die Wissenschaftler berichten, erfasste ihr Mikroskop sogar die bisher wenig erforschte Schicht unterhalb des Cortex, die sogenannte Subplate – eine dünne Schicht aus vorwiegend weißer Substanz. Das Überraschende: Auch dort gab es eine Population von Nervenzellen, die schwach auf die visuellen Reize reagierten. „Viele Neurowissenschaftler dachten bisher, dass die Neuronen in diesem Bereich lediglich in der Entwicklungsphase aktiv sind“, schreiben die Forscher. „Im reifen Gehirn wurden diese Neuronen bislang überhaupt nicht erforscht“, ergänzt Yildirim. Er und seine Kollegen hoffen nun, dass ihr neues Verfahren die Rolle dieses rätselhaften Hirnbereichs in Zukunft entschlüsseln kann.

Quelle: Murat Yildirim (Massachusetts Institute of Technology) et al., Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-018-08179-6

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