Nervenzellen können Reize einstufen

In unserem Gehirn befinden sich Milliarden von Nervenzellen. Jede einzelne dieser Zellen besitzt eine baumartige Struktur mit vielen feinen Verästelungen, den so genannten Dendriten, an denen die meisten Verknüpfungen mit anderen Nervenzellen ansetzen. Forscher in der Arbeitsgruppe von Prof. Matthew E. Larkum des Instituts für Physiologie an der Universität Bern konnten nun zeigen, dass diese dendritischen Verästelungen eine entscheidende Rolle bei der Verarbeitung sensorischer Reize spielen. Mit einer neuen Methode zur Visualisierung der Aktivität von Dendriten konnten sie beweisen, dass sich die Reizstärke einer Berührung direkt proportional auf die Aktivierung von Dendriten auswirkt. So kann das Gehirn eine Reizstärke genau ableiten. Die Forscher stellten nun fest, dass diese Ableitung des sensorischen Reizes durch einen bestimmten Nervenzellen-Typ kontrolliert wird, der die Aktivierung der Dendriten hemmen kann.

Bekannte Gesichter werden eingeordnet

Diese Hemmzellen funktionieren als Schaltstelle im Gehirn, die entscheidet, ob ein Reiz wahrheitsgetreu repräsentiert wird oder ob er in eine vorgeformte Kategorie fällt. Larkum, der die nun in Nature publizierte Studie geleitet hat, erklärt an einem konkreten Beispiel: Wenn wir eine Person vor uns sehen, wird ihr Gesicht zunächst mit all den Schattierungen und Helligkeitsnuancen in den visuellen Hirnarealen dargestellt, also 1:1 abgebildet. «Falls wir jedoch das Gesicht erkennen, unterdrücken wir diese Details der realen Situation und haben das Gesicht vor unserem ‚inneren Auge’, so wie wir es gewohnt sind», erklärt Larkum. Die Forscher haben herausgefunden, dass dieser Wechsel von der fein abgestuften zur grob kategorischen Darstellung von Reizen mittels einer Modulation des neuronalen Netzwerkes stattfindet: Wenn das Netzwerk auf Empfang eingestellt ist, wird ein Reiz in seiner wahrheitsgetreuen Stärke dargestellt. Sind jedoch die hemmenden Nervenzellen aktiv, zum Beispiel durch ein Signal aus einem höheren Hirnareal, werden sensorische Signale einer bestehenden Kategorie zugeordnet.

Mathematisches Modell schafft Klarheit

Die publizierte Arbeit beschreibt zum ersten Mal ein relevantes funktionelles Mikro-Netzwerk von Nervenzellen im lebenden Organismus. Die experimentellen Beobachtungen sind in einem vereinfachten mathematischen Modell erklärbar, das in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Walter Senn am gleichen Institut entwickelt und im gleichen Artikel publiziert wurde: Durch die hemmenden Neurone im Netzwerk kann eine Nervenzelle von einem linearen Regler zu einem zweiwertigen Schalter umgewandelt werden.

Quellenangabe:

Masanori Murayama, Enrique Pérez-Garci, Thomas Nevian, Tobias Bock, Walter Senn & Matthew E. Larkum: Dendritic encoding of sensory stimuli controlled by deep cortical interneurons. Nature, 2009.