Das GPS des Gehirns Türsteher-Neurone schützen das Gehirn vor Informationsflut

Der Weg zurück zum geparkten Auto ist manchmal knifflig, doch selbst ohne Smartphone finden wir ihn in der Regel wieder. Dies verdanken wir unserem Orientierungssinn. Damit dieses GPS des Gehirns nicht mit Reizen überflutet wird, hat es einen Schutzmechanismus: eine Art von Türsteher-Nervenzellen, die eingehende Signale filtern. Wie das funktioniert, haben nun Forscher aus Österreich gezeigt.

Klosterneuburg/Österreich – Heutzutage hat fast jeder ein Navigationssystem im Auto und auf dem Smartphone, dass uns hilft, auch in einer fremden Stadt sicher zum Ziel zu kommen. Dabei sind wir schon von Natur aus mit einem eigenen Navi ausgestattet: Der Hippocampus ist eine Region im Gehirn, die viele Nervenzellen enthält, die uns bei der Navigation im Raum helfen. Dies führt zu dem Spitznamen dieses Bereichs: das GPS des Gehirns.

Während die höheren Bereiche der Hirnrinde Informationspakete an den Hippocampus senden, um Ortungssignale zu erzeugen, enthalten allerdings nicht alle Pakete relevante Informationen. Deshalb muss der Hippocampus über einen Mechanismus verfügen, eingehende Signale zu selektieren. Ein solcher Türsteher könnte die Körnerzelle sein, ein Typ von Neuron, der am Eingang des Hippocampusschaltkreises liegt. Diese These haben Prof. Peter Jonas, Xiaomin Zhang und Alois Schlögl vom IST Austria in einer aktuellen Studie überprüft, indem sie neuronale Signale in Körnerzellen untersuchten. „Unsere Studie liefert Informationen über das Innenleben des GPS des Gehirns und die zugrundeliegenden Einzel-Neuron-Berechnungen“, fasst Jonas zusammen.

Herausfordernde Zellsuche

Das Hauptproblem für die Hirnforscher war, die richtigen Zellen für ihre Untersuchungen im Hippocampus zu finden. „Da diese Region dicht mit verschiedenen Arten von Neuronen besetzt ist, ist es technisch schwierig, die Körnerzellen, also die Zellen, an denen wir interessiert waren, zu identifizieren“, sagt Zhang, die Erstautorin der Arbeit.

So war es schwierig, die Aktivität von Körnerzellen von der Aktivität anderer Neuronen-Arten zu unterscheiden, die sich in derselben Region befinden. Darüber hinaus zeigen Körnerzellen trotz ihrer großen Anzahl typischerweise eine sehr spärliche Aktivität, weshalb andere Zelltypen mit höheren Aktivitätsniveaus das Bild leicht dominieren können.

Richtungsweiser im Gehirn

Wie Navigationsneurone Entscheidungen lenken

Türsteher des Hippocampus

Um die ein- und ausgehenden Signale der Körnerzellen aufzuzeichnen, entwickelten die Wissenschaftler eine neuartige Aufnahmetechnik sowie einen Algorithmus für maschinelles Lernen, der diese Signale entschlüsselt. Während der Aufzeichnung wurden die Nervenzellen mit einem Tracer gefüllt, sodass sie sich eindeutig identifizieren ließen. Insgesamt zeichnete das Forscherteam fast hundert Körnerzellen auf und erzeugte so einen großen Datensatz, der die Aktivität dieses wichtigen Zelltyps beschreibt.

Bei der Auswertung zeigte sich, dass eine Mehrheit der Neuronen räumliche Informationen erhält. Doch nur eine Minderheit von Neuronen gibt diese räumlichen Informationen an den Rest des Hippocampus weiter. Somit scheinen die Körnerzellen tatsächlich als eine Art Türsteher zu fungieren, die unrelevante Signale aus dem GPS des Gehirns raushält.

Körnerzellen als Dolmetscher

Körnerzellen selektieren jedoch nicht nur Informationen, sondern scheinen auch an der Informationsverarbeitung beteiligt zu sein. Das Team stellte fest, dass der Input der Körnerzellen breit gefächert ist, der Output jedoch sehr viel selektiver.

Die Nervenzellen des Hippocampus sind üblicherweise zwischen zwei Sorten von Neuronen eingebettet: Vorgelagert sind kortikale Neurone, oft so genannte Gitterzellen, die an mehreren Stellen der Umgebung Aktivität erzeugen. Im Gegensatz dazu sind Neurone in den nachgeschalteten Bereichen des Hippocampus typischerweise Platzzellen, die nur an einer einzigen Stelle in der Umgebung feuern. Die neue Studie deutet darauf hin, dass Körnerzellen an dieser Umwandlung von vielen zu wenigen Signalen beteiligt sind. „Vereinfacht ausgedrückt, können wir uns die Körnerzelle als eine Einheit vorstellen, die eine neuronale Sprache in eine andere übersetzt”, erklärt Teamleiter Jonas.

Mehr empfangen als senden

Die Mehrheit der Körnerzellen empfängt räumliche Informationen, aber nur 5% erzeugen räumlichen Output. „Vor allem Neurone mit einer weiterentwickelten Dendriten-Struktur waren aktiv, während Neurone mit einer weniger ausgereiften Struktur still blieben“, sagt Zhang. Welche funktionelle Bedeutung könnte ein solch einzigartiges Design haben, bei dem ein riesiger Teil der Zellen nicht direkt für die Informationsverarbeitung genutzt wird? Die Überlegung der Wissenschaftler: Möglicherweise reserviert der Hippocampus die meisten Körnerzellen für zukünftige Umwandlungs- und Speicherprozesse.

Originalpublikation: Xiaomin Zhang, Alois Schlögl, Peter Jonas: Selective routing of spatial information flow from input to output in hippocampal granule cells, Neuron, Published: August 06, 2020. DOI: 10.1016/j.neuron.2020.07.006

* P. Müller, Institute of Science and Technology, 3400 Klosterneuburg/Österreich

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