Sekunden im Schaltkreis

Der Freiburger Biologe Dr. Aristides Arrenberg hat gemeinsam mit amerikanischen Kollegen untersucht, welche Mechanismen das Gehirn benutzt, um Informationen für kurze Zeit zu speichern. Die Zellen einiger Schaltkreise speichern Informationen durch die Aufrechterhaltung eines konstanten Aktivitätslevels: Ein kurzlebiger Reiz regt die Aktivität von Neuronen an, diese Aktivität wird darauf folgend für mehrere Sekunden aufrechterhalten. Die Mechanismen dieser Informations-Speicherung sind nur unzulänglich bekannt, obwohl dieses Phänomen in sehr vielen Gehirnbereichen auftritt.

Die Autoren der Studie, die nun im Fachmagazin Nature Neuroscience erschienen ist, haben die andauernde Aktivität in Zebrafisch-Larven in einem Hinterhirn-Schaltkreis untersucht, der für Augenbewegungen zuständig ist. In diesem Schaltkreis, dem so genannten okulomotorischen System, wird das Kommando für eine schnelle Augenbewegung durch spezielle Nervenzellen signalisiert, die eine kurzlebige Folge von Aktionspotenzialen produzieren. Diese so genannte Feuersalve erreicht zum einen die für Bewegung zuständigen Neuronen der Augen und löst so eine „Sakkade“, eine schnelle Augenbewegung, aus. Zum anderen wird diese Salve zu einer zweiten Zellpopulation weitergeleitet, dem so genannten neuralen Integrator für Augenbewegungen. Hier wird das Geschwindigkeitssignal im mathematischen Sinn integriert und ein Positions-Signal entsteht. Dieses Signal wird zu den Motorneuronen weitergeleitet und produziert auf diese Weise – im Fisch wie im Menschen – eine stabile Augenposition nach der schnellen Augenbewegung. Der neurale Integrator hält dieses Signal für mehrere Sekunden aufrecht, bis eine neue Sakkade initiiert wird.

Die andauernde Aktivität im neuralen Integrator für Augenpositionen ist niemals perfekt, da die Augen nach einer Sakkade ganz langsam zu ihrem Ruhepunkt zurückdriften. Daher bot sich den Autoren die Möglichkeit, die Dynamik des Systems während spontaner Augenbewegungen in der Dunkelheit zu messen und das Modell zu testen, ohne dass die Messungen durch Sakkaden-Kommandos oder visuelle Rückkopplung verfälscht wurden.

Die Autoren fanden heraus, dass die Zellen des neuralen Integrators für Augenbewegungen entgegen bisheriger Annahmen keine einheitliche Population darstellen und die Modelle, mit denen eine andauernde Aktivität im okulomotorischen System erklärt wird, neu überdacht werden müssen. Die Wissenschaftler haben gezeigt, dass die Integrator-Neurone keine einheitliche Dynamik besitzen und die Neurone anhand ihrer Integrator-Zeitkonstanten im Hinterhirn verteilt sind.

Diese Ergebnisse liefern neue Hinweise auf die Organisation und Funktionsweise von Schaltkreisen mit andauernder Aktivität und bieten eine potenzielle Erklärung für die geringe Störanfälligkeit der Schaltkreise. Die Studie ist ein wichtiges Puzzlestück in dem Bestreben von Netzwerk-Neurowissenschaftlern, die Funktionsweise von lokalen Schaltkreisen aufzuklären und somit die Lücke zwischen der Funktionsweise eines einzelnen Neurons und der Produktion von Verhalten zu schließen.

Kontakt:
Dr. Aristides Arrenberg
Biologisches Institut I
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-2581
E-Mail: aristides.arrenberg@biologie.uni-freiburg.de