Der Großhirnrinde verarbeitet sensorische Informationen über ein Netzwerk neuronaler Verbindungen. Doch wie werden diese Signale angepasst, um unsere Wahrnehmungen zu verfeinern?
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Ein Team der Universität Genf (UNIGE) hat einen Mechanismus identifiziert, bei dem thalamische Projektionen bestimmte Neuronen ansteuern und deren Erregbarkeit verändern. Diese Arbeit, veröffentlicht in
Nature Communications, enthüllt eine bisher unbekannte Art der Kommunikation zwischen zwei Gehirnregionen, dem Thalamus und dem somatosensorischen Kortex. Sie könnte erklären, warum derselbe sensorische Reiz nicht immer die gleiche Empfindung hervorruft, und Wege eröffnen, um bestimmte psychische Störungen besser zu verstehen.
Derselbe sensorische Reiz kann manchmal klar wahrgenommen werden oder unscharf bleiben. Dieses Phänomen erklärt sich durch die Art und Weise, wie das Gehirn diese Wahrnehmungen integriert. So kann das Berühren eines Objekts außerhalb unseres Sichtfelds ausreichen, um es zu identifizieren, oder auch nicht. Diese Wahrnehmungsunterschiede sind noch wenig verstanden, könnten aber von Faktoren wie Aufmerksamkeit oder der störenden Präsenz anderer Reize abhängen.
Was laut Neurowissenschaftlern sicher ist, ist, dass wenn wir etwas berühren, die sensorischen Signale von den Rezeptoren der Haut von einer spezialisierten Gehirnregion namens "somatosensorischer Kortex" interpretiert werden.
Diese Veränderung könnte eine Rolle bei bestimmten Pathologien spielen, wie etwa Autismus-Spektrum-Störungen.
Auf ihrem Weg durchlaufen diese Signale ein komplexes Netzwerk von Neuronen, darunter eine entscheidende Gehirnstruktur namens "Thalamus", die als Relaisstation dient. Dieser Prozess ist jedoch nicht unidirektional. Ein wichtiger Teil des Thalamus empfängt auch Rückmeldungen vom Kortex und verteilt sie weiter, wodurch eine Feedback-Schleife entsteht. Die genaue Rolle und Funktionsweise dieser Schleife ist jedoch noch wenig verstanden.
Kortikales Neuron, das ein grün fluoreszierendes Protein exprimiert, abgebildet im lebenden Gehirn von Mäusen mittels Zwei-Photonen-Mikroskopie.
© Ronan Chéreau Ein neuer modulatorischer Weg
Um dieser Frage nachzugehen, untersuchten die Neurowissenschaftler der UNIGE eine Region an der Spitze der pyramidalen Neuronen des somatosensorischen Kortex, die reich an Dendriten ist – das sind Fortsätze von Neuronen, die elektrische Signale von anderen Neuronen empfangen.
"Pyramidale Neuronen haben etwas überraschende Formen. Sie sind asymmetrisch, sowohl in ihrer Form als auch in ihren Funktionen. Was oben am Neuron passiert, ist anders als was unten passiert", erklärt Anthony Holtmaat, ordentlicher Professor an der Abteilung für Grundlegende Neurowissenschaften und am Synapsy-Zentrum für neurowissenschaftliche Forschung zur psychischen Gesundheit der Medizinischen Fakultät der UNIGE, der die Studie leitete.
Sein Team konzentrierte sich auf die Maus und einen bestimmten neuronalen Weg, bei dem die Spitze der pyramidalen Neuronen Projektionen aus einem spezifischen Teil des Thalamus empfängt. Durch Stimulation der Schnurrhaare des Tieres – das Äquivalent zur Berührung beim Menschen – konnte ein präziser Dialog zwischen diesen Projektionen und den Dendriten der pyramidalen Neuronen nachgewiesen werden.
"Das Bemerkenswerte ist, dass diese Teil des Thalamus, der in einer Feedback-Schleife arbeitet, ihre Aktivität moduliert, indem er sie unter anderem empfindlicher für Reize macht, im Gegensatz zu den bisher bekannten thalamischen Projektionen, die pyramidale Neuronen aktivieren", sagt Ronan Chéreau, Oberassistent an der Abteilung für Grundlegende Neurowissenschaften und Mitautor der Studie.
Ein unerwarteter Rezeptor
Dank modernster Techniken – Bildgebung, Optogenetik, Pharmakologie und vor allem Elektrophysiologie – konnte das Team die elektrische Aktivität winziger Strukturen wie Dendriten aufzeichnen. Diese verschiedenen Ansätze ermöglichten es zu verstehen, wie diese Modulation auf synaptischer Ebene abläuft.
Normalerweise wirkt der Neurotransmitter Glutamat als Aktivierungssignal. Es hilft Neuronen, eine sensorische Information zu übertragen, indem es eine elektrische Antwort im nachgeschalteten Neuron auslöst. Aber in diesem neuen Mechanismus wirkt das von den thalamischen Projektionen freigesetzte Glutamat anders. Es bindet an einen anderen Rezeptortyp, der in einer spezifischen Region des pyramidales Neurons im Kortex lokalisiert ist.
Als Reaktion darauf ändert letzteres seinen Reaktionszustand, anstatt es direkt zu erregen. Das Neuron wird dadurch leichter aktivierbar, als würde es in einen Zustand versetzt, um besser auf einen kommenden sensorischen Reiz zu reagieren.
"Das ist ein bisher unbekannter Weg für eine Modulation. Normalerweise wird die Modulation pyramidaler Neuronen durch das Gleichgewicht zwischen erregenden und hemmenden Neuronen gewährleistet, nicht durch diesen Mechanismus", präzisiert Ronan Chéreau.
Zahlreiche Implikationen
Indem die Studie zeigt, dass eine spezifische Feedback-Schleife zwischen dem somatosensorischen Kortex und dem Thalamus die Erregbarkeit kortikaler Neuronen modulieren kann, legt sie nahe, dass thalamische Wege nicht nur sensorische Signale weiterleiten, sondern auch als selektive Verstärker der kortikalen Aktivität wirken.
"Mit anderen Worten, unsere Tastwahrnehmung wird nicht nur durch die eingehenden sensorischen Daten geprägt, sondern auch durch die dynamischen Wechselwirkungen innerhalb des thalamokortikalen Netzwerks", fügt Anthony Holtmaat hinzu.
Dieser Mechanismus könnte zudem zum Verständnis der beobachteten Wahrnehmungsflexibilität in Wach- oder Schlafzuständen beitragen, Zustände, in denen die sensorischen Schwellen variieren. Seine Veränderung könnte auch eine Rolle bei bestimmten Pathologien spielen, wie Störungen des Autismus-Spektrums.
Quelle: Universität Genf