„Schalter“ für Weitergabe von Sinnesreizen ins Bewusste

Was auch immer wir über Augen, Ohren, Nase oder Haut an Informationen sammeln, steht uns nur dann für Entscheidungsprozesse oder zielgerichtetes Verhalten zur Verfügung, wenn Sinnesreize von unserem Gehirn bewusst wahrgenommen und weiter verarbeitet werden können. Dafür müssen Sinnesreize vor allem wohl dosiert im Gehirn ankommen.

Zu viel Erregung würde im Extremfall „Epilepsie“ bedeuten, zu viel Hemmung „Bewusstlosigkeit“, beides sind Zustände, die mit Sinneswahrnehmungen, Lernen und motiviertem Verhalten unvereinbar sind. Wie genau jedoch die zellulären Mechanismen funktionieren, die etwas mit der Herstellung einer wichtigen „Balance“ zwischen Erregung und Hemmung in der Weitergabe von Sinnesreizen zu tun haben, ist noch nicht abschließend verstanden.

Grundlagenforscher im Sonderforschungsbereich SFB 889 „Zelluläre Mechanismen sensorischer Verarbeitung“ (Sprecher: Prof. Dr. Tobias Moser) an der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) haben jetzt ein Detail der vielfältigen synaptischen Verschaltungen zwischen hemmenden Nervenzellen der Großhirnrinde geklärt. Die Verschaltungen dienen als sogenannter „Disinhibitionsschalter“.

Dieser sorgt in einer entscheidenden Phase der Weitergabe von Erregung an das Gehirn dafür, dass Sinnesreize zum Bewusstsein vordringen können. Die neuen Erkenntnisse von Dr. Mirko Witte und Prof. Dr. Jochen Staiger vom Institut für Neuroanatomie der UMG zeigen, dass verschiedene Typen von Nervenzellen diesen Schalter mit unterschiedlicher Dynamik umlegen können. Die Forschungsergebnisse sind veröffentlicht in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift „Nature Communications“.

Originalarbeit: Walker F, Möck M, Feyerabend M, Guy J, Wagener RJ, Schubert D, Staiger JF*, Witte M*. „Parvalbumin- and vasoactive polypeptide-expressing neocortical interneurons impose differential inhibition on Martinotti cells“. Nat Commun. 2016 Nov 29;7:13664. doi: 10.1038/ncomms13664. http://rdcu.be/m5Mh

„Konkret interessieren wir uns dafür, wie Tastreize von der Großhirnrinde bewusst wahrgenommen und weiter verarbeitet werden, um die darüber erhaltenen ‚Botschaften‘ aus der Umgebung in zielgerichtetes Verhalten umzusetzen“, sagt Prof. Jochen Staiger, Direktor des Instituts für Neuroanatomie und einer der Senior-Autoren der Publikation.

FORSCHUNGSERGEBNISSE IM DETAIL

Bereits bekannt war, dass in der Großhirnrinde die erregenden Zellen (meist Pyramidenzellen) quantitativ überwiegen. Sie machen etwa 80 Prozent der Zellen in diesem Teil des Gehirns aus. Daher ist es umso wichtiger, dass die zirka 20 Prozent hemmenden Zellen eine effektive räumliche und zeitliche Kontrolle auf die Pyramidenzellen ausüben.

Erkenntnisse aus den letzten fünf Jahren haben gezeigt, dass die hemmenden Zellen, die auch als „inhibitorische Interneurone“ bezeichnet werden, trotz ihrer geringen Zahl außergewöhnlich effektiv sind: Sie scheinen unter „Ruhebedingungen“ die Aktivität der Großhirnrinde geradezu zu dominieren. „Wir wollten wissen, wie Sinnesreize trotzdem zum Bewusstsein vordringen können. Deshalb haben wir uns mit dem Mechanismus der „Disinhibition“, also die Hemmung der Hemmung, genauer befasst“, sagt Jochen Staiger.

In der in „Nature Communications“ veröffentlichten Arbeit haben die Göttinger Neuroanatomen diesen Schalter „Disinhibition“ in spezifischer Art untersucht. Mittels „Glutamatuncaging“, „Optogenetik“ und „Paarableitungen“ sowie genauer morphologischer Analyse der Nervenzellen haben sie herausgefunden, dass eine für die Hemmung von Pyramidenzellen besonders wichtiger Zelltyp, nämlich die Martinotti-Zelle, durch zwei andere Typen von inhibitorischen Interneuronen auf unter-schiedliche Art und Weise gehemmt wird.

„Dies sind zum einen die VIP Neurone, die als Marker das Vasoaktive Intestinale Polypeptid exprimieren. Zum anderen haben wir PV Neurone entdeckt, die das calciumbindende Protein Parvalbumin exprimieren. In unseren triple-transgenen Tieren konnten wir VIP oder PV Neurone in Rot und die Martinotti-Zellen in Grün zum Leuchten bringen und so gezielt elektrophysiologisch und morphologisch untersuchen“, sagt Dr. Mirko Witte, Institut für Neuroanatomie der UMG und ebenfalls Senior-Autor der Publikation.

„Unsere Befunde legen nahe, dass PV Neurone schnell und effektiv die Martinotti-Zellen stumm schalten können. Damit enthemmen sie deren Zielzellen, die Pyramidenzellen. VIP Neurone hingegen üben etwas verzögert eine Kontrolle der einlaufende Signale auf der Martinotti-Zelle aus, was aber funktionell ebenfalls einer Hemmung entspricht.“

Die spannende Frage, die sich daraus ergibt und die die Göttinger Forscher in ihrem SFB-Projekt jetzt weiter untersuchen wollen, ist: Welche Netzwerke rekrutieren in welcher zeitlichen Abfolge die VIP und PV Neurone? Und was genau löst diese Rekrutierung über die Hemmung der Martinotti-Zellen in den „downstream“ (nachgeschalteten) Pyramidenzellen aus?

„Die Großhirnrinde ist wahrscheinlich überall sehr ähnlich aus Modulen oder sogenannten Kolumnen aufgebaut. Daher denken wir, dass wir mit diesen Untersuchungen erklären können, wie verschiedenste Sinnesreize taktiler, visueller oder auditiver Natur es schaffen, einerseits der Reizüberflutung durch einen hohen „Grundtonus“ an Hemmung zu begegnen. Dann aber auch im „richtigen“ Moment durch Aufhebung der Hemmung das Gehirn in die Lage versetzen, bedeutsame Reize wahrnehmen zu können“, sagt Prof. Dr. Jochen Staiger.

WEITERE INFORMATIONEN:
Universitätsmedizin Göttingen, Georg-August-Universität
Institut für Neuroanatomie
Prof. Dr. Jochen Staiger
Telefon 0551 / 39-7051
jochen.staiger@med.uni-goettingen.de