Forschungsbericht 2018 - Assoziierte Einrichtung - Ernst Strüngmann Institute (ESI) for Neuroscience

Neuronale Muster und die Entstehung von Erinnerungen

Autoren
Vinck, Martin
Abteilungen
Assoziierte Einrichtung - Ernst Strüngmann Institute (ESI) for Neuroscience, Frankfurt am Main
Zusammenfassung
Spontane Aktivitätsmuster sind stark in die Entstehung von Erinnerungen eingebunden. Neuronale Aktivitätsmuster und Sinnesreaktionen hängen jedoch vom Verhaltenszustand ab. Aktive Verhaltenszustände sind mit der Verstärkung der Gehirnaktivität, schnellen kortikalen Dynamiken und einer Verringerung spontaner Aktivität assoziiert. Inaktive Verhaltenszustände wie Schlaf sind mit verstärkter spontaner Aktivität, weniger Reaktionsverstärkung und langsamer, zeitlich strukturierter, kortikaler Dynamik assoziiert. Diese Effekte hängen stark von der Aktivität spezifischer GABAerger Interneuronen ab.

Einführung

Abb. 1: Der durchschnittliche Pupillendurchmesser ist im Verhältnis zur Zeit zu Beginn eines Luftstoßes dargestllt. Darunter ist die Radbewegung (die Maus sitzt auf einem Rad) dargestellt, das LFP (Lokales Feld Potential)-Signal, eine Messung wieviele Neuronen aktiv sind (Populationsaktivität) und die Aktivität sowohl von mehreren Einheiten (MU) als auch einzelnen Einheiten (SU), welche zeigen, welche Aktionspotentiale die Neuronen um die Elektrode abgeben. Der Luftstoß stimuliert das Tier, ohne dass es sich bewegt. Die Kortikale Dynamik (LFP-Signal) ändert sich mit der Erregung und zeigt im wenig erregten Zustand langsame Wellen. Während der Erregungszeit ist die spontane Aktivität unterdrückt, was man an den Aufzeichnungen zu den mehreren Einheiten oder einzelnen Einheiten sehen kann [2].

Der griechische Philosoph Heraklit sagte: „Man kann nicht zweimal in denselben Fluss steigen, denn es ist nicht derselbe Fluss und man ist nicht derselbe Mensch.“ Neurowissenschaftler haben zwar große Fortschritte dabei gemacht, die durchschnittliche Tendenz neuronaler Aktivität in Reaktion auf äußere Reize zu beschreiben, aber auf dieselben Sinneseindrücke reagieren die gleichen Neuronen sehr unterschiedlich, und das Gehirn zeigt ständig tiefe Fluktuationen in den Verhaltenszuständen -  von mehreren Schlafstadien zu entspannten Wachzuständen zu aufmerksamen oder erregten Wachzuständen [1]. Noch immer verstehen wir die funktionalen Implikationen und Mechanismen der Hirnzustände und ihre neuronale Vielfalt kaum. Intelligente, von Menschen gebaute Systeme, wie Computer und Roboter, reagieren auf einen bestimmten Input auf sehr vorhersehbare Weise und befinden sich im Grunde genommen immer im gleichen Zustand (an oder aus). Die Reaktionen des Gehirns auf ein und denselben Sinneseindruck können hingegen sehr unterschiedlich sein und hängen von den Verhaltenszuständen ab [1]. Zusätzlich zeigt der Organismus, wenn er ruht, z.B. beim Schlafen, spontane hochstrukturierte Aktivitätsmuster und die Neuronen können in diesen Phasen - verglichen mit den erregten Zuständen -  sogar aktiver sein [2, 3].

Was ist ein Zustand?

Globale Verhaltenszustände  wie Schlaf und Erregung werden durch mehrere Aspekte charakterisiert [1]. Erstens: Sie sind mit bestimmten neuronalen Dynamiken assoziiert, die sowohl auf dem Level des Netzwerkes, als auch durch intrazelluläre Aufnahmen gemessen werden können. Zweitens werden sie durch einen bestimmten neuromodulierenden „Ton“ begleitet. Drittens: Die Neuronen reagieren charakteristisch auf Sinneseindrücke, und viertens: sie sind mit bestimmten Leistungsniveaus und Tendenzen des Verhaltens assoziiert.

Neuronale Dynamiken

Im Allgemeinen sind die aktiveren Wachzustände durch die Anwesenheit von schnelleren Wellen (Beta- und Gammawellen im 15-90 Hz-Spektrum) im Neokortex charakterisiert, die mit bewusstem Prozessen und Aufmerksamkeit verbunden sind. Dagegen zeichnen sich inaktive Zustände durch langsame Wellen mit großen Amplituden aus (Abb. 1, [1]). Man glaubt, dass diese langsameren Wellen bei der Entstehung vonErinnerungen eine Rolle spielen [3]. Schnelle Gamma-Aktivität in Sinnesabschnitten des Gehirns wird durch Erregung positiv moduliert, selbst wenn eine Bewegungsaktivität, die stark von der Aktivität der GABAergischen Interneuronen abhängt, fehlt [2].

Neuromodulatoren

Abb. 2: Vergleich der V1-Aktivität zwischen gesunden Tieren und solchen, die eine Entwicklungsstörung in den GABAergen VIP-Interneuronen haben, besonders im Hinblick auf ein Risiko-Gen, das mit Schizophrenie assoziiert ist [5]. Tiere, bei denen die VIP-Interneuronen nicht funktionieren, zeigen trotz unterschiedlichem Verhaltenszustand (Bewegungsaktivität) keine Veränderungen in der Abfeueraktivität [4].

Im Allgemeinen werden aktive Zustände mit einer Zunahme im noradrenergischen und cholinergischen Ton assoziiert. Diese Neuromodulatoren werden durch weitreichende Projektionen von Neuronen in bestimmten Nuklei im Hirnstamm wie dem Locus coeruleus und dem Nukleus basalis freigegeben und diese Nuklei werden wiederum durch Nuklei im aufsteigenden Erregungssystem aktiviert [1]. Da die Aktivität des neuromodularen Projektionssystems sehr gut mit dem Durchmesser der Pupille korreliert, kann man diesen zur Messung des Erregungsniveaus im wachen Zustand nutzen [1, 2]. Um die Mechanismen, die der Zustandsmodulation der kortikalen Aktivitätsmuster zu Grunde liegen, zu verstehen, ist es von erstrangiger Bedeutung, diese neuromodulierenden Untersysteme besser zu verstehen. Neuromodulatoren können Pyramiden-Neuronen direkt beeinflussen, aber sie haben auch sehr spezifische Effekte auf die GABAergischen Interneuronen. Die Forschergruppe konnte zeigen, dass Zustandsmodulationen von der Entwicklungsintegrität von VIP Interneuronen abhängen, die wiederum stark von Neuromodulatoren beeinflusst werden (Abb. 2, [1,5]).

Wie der Zustand die Verarbeitung von Sinneswahrnehmungen beeinflusst

Wie Neuronen auf Sinneseindrücke reagieren, hängt stark vom Erregungszustand ab. Während spontane Aktivität durch kortikale Erregung kleiner wird, verstärkt sich die Geschwindigkeit der Sinnesreaktionen. Zusätzlich reduzieren sich während der Erregung zufällige Korrelationen, die der sensorischen Kodierung schaden können [2]. Das dynamische Regime, in dem der Kortex operiert – mit schnellen Fluktuationen in den Beta- und Gamma-Wellen oder langsamen Fluktuationen -  könnten wichtige Beiträge zu diesen Veränderungen in der Verstärkung liefern [1]. Die Forscher des Ernst-Strüngmann-Instituts untersuchen derzeit, ob der Zustand einen wichtigen Beitrag zur Verstärkung von Reaktionen für Stimuli, die schnelle kortikale Dynamiken vergrößern, liefert. Sie untersuchen auch, ob die Modulierung von Oszillationen ohne Veränderung des neuromodularen Tons (nur durch optogenetische Manipulationen) die Verstärkung der neuronalen Reaktionen auf Sinneseindrücke und den Verhaltens-Output ändern kann.

Wie beeinflusst der Aktivitäts-Zustand die Kommunikation zwischen den Hirnarealen?

Es gibt Belege dafür, dass kortikale Dynamiken einen tiefen Einfluss auf die Verstärkung des neuronalen Output auf post-synaptische Ziele und die Kommunikation zwischen Hirnarealen hat. Um dieser Frage nachzugehen, wurden mehrere Gebiete im Sehsystem zusammen mit dem Durchmesser der Pupille aufgezeichnet. So lässt sich sehen, wie sich bottom-up-Signale und top-down-Signale je nach kortikalem Erregungsniveau fortpflanzen.

Der Verhaltenszustand und die Entstehung von Erinnerungen

Die Forscher untersuchen auch, wie die die Aktivität während des Schlafes der Aktivität während des Wachzustandes ähnelt. Unsere Hypothese lautet, dass spontane Aktivität im Neokortex präzise von der vorherigen wachen Aktivität abhängt und zu der Festigung von Erinnerung führt. Mithilfe von neu entwickelten mathematischen Algorithmen können die Forscher einen großräumigen Vergleich von temporalen Mustern durchführen. Dabei wird die Struktur und Dimensionierung der zeitlichen Muster während spontaner Aktivität untersucht, und wie diese Muster von Erfahrungen abhängen.

Literaturhinweise

1.
McGinley, M.J.; Vinck, M.; Reimer, J.; Batista-Brito, R.; Zagha, E.; Cadwell, C.R.; Tolias, A.S.; Cardin, J.A.; McCormick, D.A.
Waking State: Rapid Variations Modulate Neural and Behavioral Responses
Neuron 87, 1143-1161 (2015)  
DOI
2.
Vinck, M.; Batista-Brito, R.; Knoblich, U.; Cardin, J.A.
Arousal and locomotion make distinct contributions to cortical activity patterns and visual encoding
Neuron 86, 740-754 (2015)
DOI
3.
Genzel, L.; Kroes, M.C.; Dresler, M.; Battaglia, F.P.
Light sleep versus slow wave sleep in memory consolidation: a question of global versus local processes?
Trends in Neuroscience 37, 10-19 (2014)
DOI
4.
Batista-Brito,  R.; Vinck, M.;  Ferguson, K.A.; Chang,  J.T.; Laubender, D.; , Lur, G.; Mossner,  J.M.; Hernandez, V.G.;  Ramakrishnan, C.; Deisseroth, K.; Higley, M.J.; Cardin, J.A.
Developmental Dysfunction of VIP Interneurons Impairs Cortical Circuits
Neuron 95, 884-895 (2017)
DOI
5.
Fries, P.
Rhythms for Cognition: Communication through Coherence
Neuron 88, 220-235 (2015)
DOI
Zur Redakteursansicht