Der Türsteher im Gehirn

Wie kann man sich in einem komplexen Umfeld wie der Stadt Wien orientieren? Diesen Orientierungssinn verdanken wir dem „Global Positioning System“ (GPS) unseres Gehirns, dem Hippocampus. Um seine Funktionen besser zu verstehen, analysierten Wissenschafter im Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) einzelne Neurone dieses GPS in Mäusen. Dabei entdeckten sie, dass so genannte Körnerzellen räumliche Informationen filtern und schärfen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher vor kurzem in Neuron veröffentlicht.

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, um eingehende Signale zu selektieren. Ein solcher Türsteher könnte die Körnerzelle sein, ein Typ von Neuron, der am Eingang des Hippocampusschaltkreises liegt.

Identifizieren der richtigen Zellen

Als IST Austria Professor Peter Jonas, Xiaomin Zhang und Alois Schlögl begannen, neuronale Signale in Körnerzellen zu untersuchen, war das Hauptproblem jedoch die Identifizierung der Zellen. In der Vergangenheit konnten die Experten nicht garantieren, dass sie die Zellen korrekt identifizieren. „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 Xiaomin Zhang, die Erstautorin der Arbeit. So war es sehr schwierig, die Aktivität von Körnerzellen von der anderer Arten von Neuronen, die sich in derselben Region befinden, zu unterscheiden. Darüber hinaus zeigen Körnerzellen trotz ihrer großen Anzahl typischerweise eine sehr spärliche Aktivität, wodurch andere Zelltypen mit höheren Aktivitätsniveaus das Bild dominieren könnten.

Türsteher des Hippocampus

Um die ein- und ausgehenden Signale der Körnerzellen aufzuzeichnen, entwickelten die Wissenschafter eine neuartige Aufnahmetechnik und einen Algorithmus für maschinelles Lernen, um diese Signale zu entschlüsseln. Um die Nervenzellen eindeutig zu identifizieren, wurden die Zellen während der Aufzeichnung mit einem Tracer gefüllt. Insgesamt zeichneten sie fast hundert Körnerzellen auf und erzeugten so einen großen Datensatz, der die Aktivität dieses wichtigen Zelltyps beschreibt. Sie stellten fest, 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 Türsteher zu fungieren.

Verarbeitung räumlicher Informationen

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. Vorgelagerte kortikale Neurone sind oft 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 beteiligt sind. „Vereinfacht ausgedrückt, können wir uns die Körnerzelle als eine Einheit vorstellen, die eine neuronale Sprache in eine andere übersetzt“, erklärt Jonas.

Einsparung von Rechenleistung für die Zukunft

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

Die neue Arbeit unterstreicht die Leistungsfähigkeit von Einzelzell-Aufnahmetechniken. „Unsere Studie liefert Informationen über das Innenleben des GPS des Gehirns und die zugrundeliegenden Einzel-Neuron-Berechnungen“, fasst Professor Peter Jonas zusammen.

Publikation

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

Projektförderung

Dieses Projekt wurde durch Mittel des European Research Council (ERC) und der Europäischen Kommission unter dem Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union (ERC grant agreement no) sowie des Fonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung ((Z 312-B27 Wittgenstein Preis) ermöglicht.

Tierwohl

Um zu verstehen, wie das menschliche Gehirn Information abspeichert und verarbeitet, ist es unumgänglich das Gehirn von Tieren während bestimmter Verhaltensweisen zu untersuchen. Keine anderen Methoden, wie z. B. in vitro oder in silico-Modelle, stehen hierfür als Alternative zur Verfügung. Die Tiere wurden gemäß der strengen in Österreich geltenden gesetzlichen Richtlinien aufgezogen, gehalten und behandelt.