Suchen

Flexibles Handeln durch Umprogrammieren von Hirnzellen Ja, nein, vielleicht – Entscheidungsfindung im Gehirn

| Redakteur: Christian Lüttmann

Links oder rechts? Essen oder wegschmeißen? Unser Leben ist geprägt von Entscheidungen. Wie diese im Gehirn gefällt werden, und wie sich das Hirn auf neue Situationen einstellt, haben nun Forscher der Universität Zürich am Mausmodell untersucht. Die Ergebnisse tragen zum Verständnis von Entscheidungsprozessen bei.

Firmen zum Thema

Forscher beobachteten die Hirnzellen von Mäusen beim Umlernen.
Forscher beobachteten die Hirnzellen von Mäusen beim Umlernen.
(Bild: Frank Brüderli; Universität Zürich)

Zürich/Schweiz – Kein Händeschütteln zur Begrüßung, nur mit Maske in den Zug, in die Armbeuge niesen – die Covid-19-Pandemie zeigt, wie wichtig es für Menschen manchmal ist, gewohnte Verhaltensweisen abzulegen und neue zu erlernen. Und auch Tiere müssen in der Lage sein, sich schnell an veränderte Umweltbedingungen anzupassen. „Die Grundlage für diese Fähigkeit ist die Plastizität des Gehirns“, sagt Fritjof Helmchen, Co-Direktor am Institut für Hirnforschung der Universität Zürich und Leiter des Zentrums für Neurowissenschaften Zürich. „Doch die biologischen Prozesse, die diese erstaunlichen Leistungen ermöglichen, sind noch unvollständig verstanden.“

Mit seinem Team ist Helmchen nun ein erster Schritt zur Aufklärung gelungen: In einer Studie zeigen sie, dass ein Teil der Großhirnrinde – der hinter den Augen gelegene orbitofrontale Kortex – die Nervenzellen in untergeordneten sensorischen Arealen umprogrammieren kann.

Gestalten Sie mit uns die besten Fachmedien der Welt!

Die Arbeitswelt verändert sich fortlaufend und mit ihr auch die fachspezifischen Aufgabenstellungen, denen Sie sich Tag für Tag stellen. Hierbei wollen wir Sie mit unserem Fachmedien-Angebot auch zukünftig zielführend unterstützen und Ihnen Inhalte mit echtem Mehrwert liefern.

Im Mäusetraining den Spieß umdrehen

Für ihre Versuche simulierten die Forscher in Mäusen einen Prozess des Umlernens unter kontrollierten Bedingungen und untersuchten auf Ebene einzelner Nervenzellen, was dabei im Gehirn passiert. Zunächst trainierten sie die Tiere darin, nach einer Berührung der Tasthaare mit grobkörnigem Sandpapier zu schlecken – was zu einer Belohnung mit Zuckerwasser führte. Bei Berührung mit feinkörnigem Sandpapier hingegen durften sie nicht schlecken, sonst löste dies ein unangenehmes Geräusch aus.

Hatten die Mäuse dies verstanden, so wurde der Spieß umgedreht: Nun gab es die Belohnung bei feinkörnigem und nicht bei grobkörnigem Sandpapier. Dieses neue, gegenteilige Verhaltensmuster erlernten die Mäuse nach nur kurzer Übung.

Wo die Zellen im Gehirn umgepolt werden

Lage des orbifrontalen Kortex bei Maus und Mensch
Lage des orbifrontalen Kortex bei Maus und Mensch
(Bild: Frank Brüderli; Universität Zürich)

Während dieses Trainings analysierten die Neurowissenschaftler mithilfe von molekularbiologischen und bildgebenden Techniken die Funktion einzelner Nervenzellen in den beteiligten Hirnarealen. Es zeigte sich, dass eine Gruppe von Hirnzellen des orbitofrontalen Kortex während des Umlernens besonders aktiv ist. Diese Zellen haben lange Fortsätze, die bis in das Areal der sensorischen Nervenzellen reichen, die bei Mäusen Tastreize verarbeiten. In diesem Areal folgten die Zellen zunächst dem alten Aktivitätsmuster, ein Teil passte sich dann allerdings der neuen Situation an.

Wurden die betreffenden Hirnzellen des orbitofrontalen Kortex gezielt ausgeschaltet, so funktionierte das Umlernen nicht und die Nervenzellen im sensorischen Areal zeigten keine Anpassung ihrer Aktivität. „Wir konnten also zeigen, dass eine direkte Verbindung vom orbitofrontalen Kortex zu sensorischen Hirnarealen besteht, und dass dort ein Teil der Nervenzellen umgepolt wird“, sagt Helmchen. „Die Plastizität dieser Zellen und die Instruktion durch die höhere Instanz des orbitofrontalen Kortex scheinen für die Flexibilität unseres Verhaltens und die Möglichkeit, sich auf neue Situationen einzustellen, entscheidend zu sein.“

Entscheidungsprozesse und Störungen besser verstehen

Es ist schon länger bekannt, dass der orbitofrontale Kortex an Entscheidungsprozessen beteiligt ist. Er hat gewissermaßen die Aufsicht darüber, dass Reaktionen auf äußere Umstände angemessen und erfolgreich sind. „Die dieser Funktion zugrundeliegenden Nervenschaltkreise waren aber bis jetzt nicht bekannt“, sagt der Erstautor der Studie, Abhishek Banerjee, seit kurzem Professor an der britischen Universität Newcastle. „Diese Art der Kommunikation und Kontrolle über verschiedene Hirnareale hinweg ist wirklich bemerkenswert.“

Die Forscher gehen davon aus, dass sich die fundamentalen Prozesse, die sie in der Maus beobachtet haben, in ähnlicher Weise auch im menschlichen Gehirn abspielen. „Dieses vertiefte Wissen über die komplizierten Vorgänge im Gehirn bei Entscheidungsprozessen kann wichtig sein“, Studienleiter Helmchen. „Unsere Forschungsergebnisse tragen etwa zum besseren Verständnis von Hirnkrankheiten bei, bei denen diese Flexibilität gestört ist, wie beispielsweise bei Formen von Autismus und Schizophrenie.“ Denn für Menschen, die ihr Verhalten sehr schwer oder gar nicht anpassen können, sei dies tatsächlich ein großes Problem.

Originalpublikation: Abhishek Banerjee et al.: Value-guided remapping of sensory cortex by lateral orbitofrontal cortex, Nature volume 585, pages 245–250 (2020). Doi: 10.1038/s41586-020-2704-z

(ID:46870459)