Die Fähigkeit des Gehirns zur Zeitmessung

Eine der erstaunlichsten Fähigkeiten des Gehirns ist sein Umgang mit der Zeit. Obwohl kein spezifisches Sinnesorgan für Zeit existiert, können Bewegungen dennoch präzise zeitlich abgestimmt werden. Diese Fähigkeit ist entscheidend für viele Alltagsaktivitäten, etwa beim Sprechen, beim Überqueren einer Straße oder beim Tennisspielen. Ohne sie wären Bewegungen lediglich Reaktionen auf äußere Reize. Seit vielen Jahren ist bekannt, dass das Gehirn über eine Art innere Uhr verfügen muss, doch deren genaue Verortung und Funktionsweise waren ungeklärt. In den letzten fünf Jahren hat unser Forschungsteam daran gearbeitet, die Mechanismen hinter dieser zeitlichen Steuerung aufzudecken. Dabei zeigte sich, dass zwei Hirnregionen – der motorische Cortex und das Striatum – wie eine Sanduhr zusammenwirken, um den Zeitpunkt einer Handlung flexibel zu kontrollieren [1].

Ausgangspunkt war eine einfache Frage: Wie misst das Gehirn Zeit, um zu steuern, wann eine Bewegung beginnt? Frühere Studien deuteten auf den motorischen Cortex und das Striatum hin – zwei zentrale Hirnregionen für höhere Aspekte der Bewegungssteuerung. Schädigungen in diesen Arealen stören zeitliche Abstimmung von Bewegungen, etwa bei Parkinson- oder Huntington-Erkrankungen. Unklar war jedoch, welche spezifischen Funktionen die einzelnen Regionen übernehmen und ob sie unabhängig oder im Zusammenspiel wirken.

Signatur des Timings

Um dies zu klären, trainierten wir Mäuse für eine Timing-Aufgabe: Sie mussten eine bestimmte Zeitspanne – etwa eine oder drei Sekunden – warten, bevor sie sich für eine Belohnung bewegten. Dabei zeichneten wir die Aktivität Tausender Neuronen im motorischen Cortex und Striatum auf (Abb. 1). 

In der Wartephase stieg die neuronale Aktivität sukzessive an, bis ein Schwellenwert erreicht war, der die Bewegung und den Abruf der Belohnung auslöste. Mussten die Tiere nur eine Sekunde warten, stieg die neuronale Aktivität steil an und erreichte innerhalb einer Sekunde die Schwelle, die die Bewegung auslöste. Betrug die Wartezeit hingegen drei Sekunden, verlief der Anstieg entsprechend langsamer und erreichte die Schwelle erst nach drei Sekunden. Offenbar kodieren die Neuronen im motorischen Cortex sowie im Striatum die Zeit, indem sie die Dynamik ihrer Aktivität flexibel anpassen.  

Der entscheidende Durchbruch gelang jedoch durch die Kombination dieser Messungen mit einer Methode namens Optogenetik. Diese Methode ermöglichte es uns, einzelne Hirnareale mittels Lichtimpulsen gezielt vorübergehend stummzuschalten, während wir simultan aufzeichneten, wie sich dies auf die neuronale Aktivität in der jeweils anderen Region auswirkte. Mit anderen Worten: So konnten wir untersuchen, wie eine temporäre Störung spezifischer Areale die innere Uhr des Gehirns im laufenden Prozess beeinflusst.

Zeit anhalten und zurückspulen

Wurde der motorische Cortex vorübergehend stummgeschaltet, zeigte sich ein klarer Effekt: der Zeitmessungsprozess hielt inne. Die neuronale Aktivität im Striatum, die die Zeit abbildete, kam zum Stillstand, und die Maus verzögerte ihre Bewegung – als ob die Zeit eingefroren wäre. Sobald aber die Stummschaltung des motorischen Cortex beendet war, setzte das Timing an genau derjenigen Stelle wieder ein, an der es zuvor unterbrochen worden war. Die Dauer der Stummschaltung entsprach exakt der Zeitspanne, um die die Maus ihre Bewegung zur Belohnung hinauszögerte.  

Die Stummschaltung der anderen Hirnregion, des Striatums, führte dagegen zu einem anderen Effekt. Statt den Zeiterfassungsprozess lediglich anzuhalten, schien das Timing-Signal neu zu starten. Die neuronale Aktivität, die zuvor die Zeit abgebildet hatte, begann von vorn, und die Maus wartete länger – als wäre die Zeit zurückgespult worden.

Die Sanduhr im Gehirn

Zusammengefasst wird deutlich, dass das Gehirn über einen Zeitsteuerungs-Mechanismus verfügt, der einer Sanduhr ähnelt. Der motorische Cortex fungiert dabei als oberer Teil der Sanduhr, die einen kontinuierlichen Strom von Timing-Signalen aussendet. Ihn stummzuschalten ist vergleichbar mit dem Zusammendrücken des Sanduhrhalses: Der Sandfluss stoppt.

Das Striatum befindet sich im unteren Teil der Sanduhr und sammelt diese Signale, bis ein Schwellenwert erreicht ist, der eine Bewegung auslöst. Eine Unterbrechung wirkt hier wie das Umdrehen der Sanduhr und damit wie ein Zurücksetzen der Zeit. Gemeinsam bilden diese Regionen ein flexibles Zeitsteuerungssystem, das je nach Anforderung des Gehirns pausieren, wieder aufgenommen oder zurückgesetzt werden kann. 

Da sowohl der motorische Cortex als auch das Striatum bei Bewegungsstörungen beeinträchtigt sind, wird auch die zeitliche Steuerung von Bewegungen gestört. Unsere Forschung liefert ein neues Konzept wie diese Regionen zusammenwirken, um zeitliche Abläufe zu steuern. Wir hoffen, dass dieses Wissen klinisch Forschenden helfen kann, gezieltere Strategien zur Wiederherstellung fließender und zeitlich präziser Bewegungen bei Betroffenen zu entwickeln.   

Für uns gehen diese Erkenntnisse über das Verständnis der zeitlichen Abfolge von Bewegungen hinaus. Wir decken grundlegende Prinzipien auf, die dem Gehirn ermöglichen, neuronale Aktivität in präzises, zielgerichtetes Verhalten umzuwandeln. Zugleich ergeben sich zahlreiche neue Forschungsfragen, denen wir uns nun intensiv widmen. 

Literaturhinweise