Wie viele Neurone braucht eine Empfindung?

Etwa zwei Millionen Neurone enthält die somatosensorische Hirnrinde (Kortex) der Ratte – die Region des Gehirns, die taktile Wahrnehmungen verarbeitet. Dass trotz dieser enormen Vielzahl die Aktivität eines einzigen Neurons eine Sinnesempfindung erzeugen kann, haben Arthur Houweling und Michael Brecht von der Humboldt Universität und dem Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience Berlin nun herausgefunden.

„Angesichts der großen Zahl von Neuronen im Kortex war man bisher meist davon ausgegangen, dass erst das Zusammenspiel großer Gruppen von Neuronen eine bewusste Wahrnehmung erzeugen kann. Wir zeigen, dass die Aktivität einzelner Neurone sehr viel bedeutungsvoller ist als bisher angenommen“, erklärt Brecht seine Ergebnisse. Die Forschungsarbeit wird am 19. Dezember in der renommierten Fachzeitschrift Nature online publiziert.

Sehen, hören, tasten – jeder Sinneseindruck wird im Gehirn verarbeitet und lässt sich darauf zurückführen, dass Nervenzellen elektrische Impulse aussenden. Noch ist allerdings wenig darüber bekannt, nach welchem Prinzip eine solche neuronale Informationskodierung funktioniert. Sind jeweils ganze Populationen von Neuronen an jedem Verarbeitungsschritt beteiligt, so dass kleine Fehler einzelner Zellen ausgeglichen werden? Oder sind es nur wenige Neurone, die dann entsprechend sehr genau arbeiten müssen? Dass die Aktivität einzelner Neurone ausreicht, um ein Tasthaar einer Ratte um einen Winkel von wenigen Grad zu bewegen, hat Brecht bereits im Jahre 2004 gezeigt. Ob einzelne Neurone bei der Wahrnehmung eine ähnlich zentrale Rolle spielen, ist nun die nächste Frage, der er sich in seiner aktuellen Studie gewidmet hat.

Es ist bereits bekannt, dass die Anregung größerer Gruppen von Neuronen im somatosensorischen Kortex von Menschen einen taktilen Sinneseindruck hervorruft und auch Tiere reagieren auf eine solche Stimulation. Die Wissenschaftler um Brecht reizten nun einzelne Neurone, die am Tastsinn der Ratte beteiligt sind, mit winzigen Strömen im Bereich einiger Nanoampere, die jeweils circa 15 neuronale Impulse hervorriefen. Die Wahrnehmung der Ratte überprüften die Wissenschaftler mit Hilfe eines Verhaltenstests – die Ratten waren darauf trainiert, mit einer Leckbewegung auf Berührungsempfinden zu antworten. So konnten die Wissenschaftler zeigen, dass diese wenigen Impulse eines einzigen Neurons von der Ratte bemerkt werden können.

Das heißt jedoch nicht, dass die Aktivität eines jeden Neurons ins Bewusstsein gelangt – damit wäre das Gehirn überfordert. Wie gut die Ratte auf die erhöhte Aktivität eines Neurons reagiert, und ob sie diese überhaupt wahrnimmt, hängt von verschiedenen Faktoren ab – zum einen vom Neuronentyp und zum anderen von der Ansprechschwelle nachgeschalteter Neurone, die das Signal weiterleiten. Dennoch zeigen die Experimente deutlich, dass das Gehirn weit weniger redundant arbeitet, als bisher gedacht. „Wir gehen davon aus, dass die neuronale Aktivität im Kortex wesentlich niedriger ist, als bisher angenommen. Der Kortex funktioniert sehr präzise und eine Empfindung kommt zumindest nicht in allen Fällen erst durch das Mitteln großer Populationen von Zellen zustande „, so Brecht.

Originalveröffentlichung:
Arthur R. Houweling und Michael Brecht (2007). Behavioural report of single neuron stimulation in somatosensory cortex. Nature, online publiziert am 19. Dez 2007, doi:10.1038/nature06447
Kontakt:
Prof. Dr. Michael Brecht
tel.: (0)30/2093-6772
Email: michael.brecht(at)bccn-berlin.de
Die Bernstein Zentren für Computational Neuroscience in Berlin, Freiburg, Göttingen und München werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Um die komplexe Struktur des Gehirns zu erforschen, verbindet die Computational Neuroscience Experiment, Computersimulation und Theoriebildung.