Das Gehirn schützt sich selber vor Reizüberflutung

Die Hirnrinde besteht aus einer wenige Millimeter dünnen Schicht aus Nervenzellen und ist für die Verarbeitung von unzähligen Nervensignalen zuständig. Einerseits erhalten grosse Nervenzellen, die sogenannten Pyramidenzellen, Signale aus den Sinnesorganen. Andererseits erhalten sie auch Informationen aus anderen Hirnarealen wie Erinnerungen, um die Sinnesinformationen richtig interpretieren und weiterleiten zu können. Impulse aus den Sinnesorganen werden als sogenannte „Bottom-up-Information“ bezeichnet, solche aus übergeordneten Hirnbereichen wie Erinnerungen als „Top-down-Information“. Diese getrennten Informationsströme erregen die Pyramidenzellen in zwei verschiedenen Bereichen, die eine unterschiedliche Struktur und Funktion aufweisen. Erhält eine Nervenzelle jedoch gleichzeitig Informationen aus einem Sinnesorgan und übergeordneten Hirnarealen, muss sie „umdisponieren“: Den gleichzeitigen Eingang von „Top-down-“ und „Bottom-up-Information“ beantwortet die Pyramidenzelle mit einem stark erhöhten Erregungszustand, der durch einen Einstrom von Kalzium-Ionen in die Pyramidenzelle ausgelöst wird.

Prof. Matthew Larkum und sein Mitarbeiter am Institut für Physiologie der Universität Bern konnten nun erstmals zeigen, dass hemmende Nervenzellen in der Hirnrinde „Top-down“-Signale selektiv unterdrücken können. Diese hemmenden Nervenzellen schütten eine chemische Substanz aus (GABA=Gamma-Amino-Buttersäure), welche über spezifische Rezeptoren den Kalziumeinstrom in die Pyramidenzellen verhindern. Die „Top-down-Information“ wird somit vollständig unterdrückt. In mehrjähriger Arbeit gelang es den Forschern, die zellulären und molekularen Prozesse, welche diesem Veto-Mechanismus zugrunde liegen, zu charakterisieren.

Unterdrückte Impulse ermöglichen eine bewusste Wahrnehmung

Diese bahnbrechende Arbeit erlaubt eine neue Sicht auf die Funktionsweise des Gehirns. „Wir konnten aufzeigen, wie hoch spezifisch, zeitlich und räumlich präzise orchestriert die Hemmungsmechanismen im Gehirn eingesetzt werden, um den ununterbrochenen Erregungsstrom aus den Sinnesorganen und den höheren Hirnregionen zu regulieren“, erklärt Prof. Hans-Rudolf Lüscher vom Institut für Physiologie. Diese Vorgänge erlauben eine gerichtete Aufmerksamkeit sowie die Einbindung von Sinneseindrücken zu einer einheitlichen Wahrnehmung. „Ohne diese Hemmungsmechanismen“, so Lüscher, „wären alle sensorischen Hirnrindenareale maximal erregt, ähnlich einem elektrischen Gewitter“. Dies würde eine bewusste und differenzierte Wahrnehmung unserer Umwelt verunmöglichen. Aufbauend auf diesen Resultaten, welche an einem In Vitro-Präparat gewonnen wurden, will die Forschergruppe um Prof. Larkum in Zukunft untersuchen, wie diese zellulären Mechanismen das Verhalten eines intakten Organismus beeinflussen.

Nervenzellen: bestens vernetzt

Die menschliche Hirnrinde bedeckt das Gehirn und besteht aus einer wenige Millimeter dicken Schicht von Nervenzellen. In dieser hochkomplexen Struktur verarbeitet das Gehirn den ununterbrochenen Zustrom von Nervensignalen aus den Sinnesorganen und konstruiert daraus ein Abbild der Welt, die uns umgibt. Eindrücke von Farbe, Form oder Bewegung werden in verschiedenen, teilweise weit auseinander liegenden Hirnarealen verarbeitet. Damit im Gehirn eine einheitliche Wahrnehmung zustande kommt, müssen die elementaren Sinnesinformationen (wie z.B. Farbe, Form usw.) zu einer übergeordneten, funktionellen Einheit zusammengebunden werden. Dieses Zusammenführen der verschiedenen Informationsströme wird durch einen zellulären Mechanismus realisiert, der die Nervenzellen in einen speziellen Zustand versetzt, sobald sie Informationen aus unterschiedlichen Hirnstrukturen gleichzeitig erhalten. Die Sinnesinformation wird auch anhand von Erfahrungen aus dem Gedächtnis interpretiert. Zudem wird uns nicht jede Sinnesinformation auch bewusst, sondern nur diejenige, worauf das Gehirn seine Aufmerksamkeit lenkt.