Alles, was wir wahrnehmen, fühlen oder tun, entsteht durch die Kommunikation von vielen Milliarden Neuronen im Gehirn. Diese neuronale Kommunikation wird durch die Balance zwischen Hemmung und Erregung geformt. Seit den frühen Anfängen der Hirnforschung haben Wissenschaftler versucht, die Funktionsweise des Gehirns zu ergründen, indem sie zunächst die Teile verstehen, aus denen es aufgebaut ist: einzelne Nervenzellen, die Neurone.
Einführung in Neuronen und ihre Bedeutung
Neuronen, auch Nervenzellen genannt, sind die grundlegenden Bausteine des Nervensystems. Sie sind spezialisierte Zellen, die elektrische und chemische Signale empfangen, verarbeiten und weiterleiten. Diese Signale ermöglichen es uns, zu denken, zu fühlen, uns zu bewegen und die Welt um uns herum wahrzunehmen. Neuronen kommunizieren miteinander über spezialisierte Verbindungen, die Synapsen genannt werden.
Neuronale Kommunikation: Die Sprache des Gehirns
Neurone benutzen kurze, elektrische Entladungen, um miteinander Informationen auszutauschen. Diese „Aktionspotentiale“, auch Spikes genannt, sind sozusagen die Sprache des Gehirns. Indem man Spikes anhand ihrer Form und Größe sortiert, können die „Stimmen“ einzelner Neurone unterschieden werden. Anhand der grundlegenden Eigenschaften ihrer Spikes können Neurone in unterschiedliche Gruppen eingeteilt werden.
Funktionelle Zellklassen im primären visuellen Kortex
Im primären visuellen Kortex werden im Allgemeinen zwei Gruppen von Nervenzellen unterschieden, sogenannte funktionelle Zellklassen:
- Inhibitorische Interneurone mit schnellen, sehr schmalen Spikes, die die Aktivität anderer Zellen herunterregulieren.
- Eine zweite Gruppe von Neuronen, die eine erregende Wirkung auf andere Zellen haben.
Diese zweigegliederte Einteilung hat sich als Faustregel bewährt. Es gibt aber auch bemerkenswerte Ausnahmen, wie eine aktuelle Studie aus einer Forschungsgruppe am Ernst Strüngmann Institut zeigt. Irene Onorato, untersuchte die Spikeformen von Neuronen im primären visuellen Kortex zweier unterschiedlicher Affenarten. Dabei wurde eine dritte Klasse von Zellen gefunden.
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Entdeckung einer dritten Zellklasse: Burst-Neurone
Der neue Zelltyp ähnelt auf den ersten Blick den bekannten inhibitorischen Interneuronen. Auch sie haben schnelle Spikes mit schmaler Form. Allerdings unterscheidet sich ihr Aktivitätsmuster eindeutig von inhibitorischen Interneuronen: Die beschriebenen Neurone zeigen ein auffälliges Aktivitätsmuster mit Phasen, in denen Salven zahlreicher Spikes dicht nacheinander gefeuert werden, so genannte „Bursts“. Überraschenderweise fiel mit 30 Prozent ein vergleichsweise großer Anteil der untersuchten Neurone in diese neu beschriebene Kategorie.
Mögliche Erklärungen für die Unterschiede zwischen Spezies
Eine mögliche Erklärung dafür könnte in dem Tiermodell liegen, dass viele Forscher bevorzugen: Mäuse. Über die Zelltypen, die im Hirn von Primaten zu finden sind, ist relativ wenig bekannt. Ein Grund dafür ist, dass zahlreiche Techniken zur gezielten Untersuchung einzelner Zellen bei Mäusen angewendet werden können, bei Primaten aber nicht. Das gilt insbesondere für genetische Werkzeuge. Mäuse und Affen sind sehr unterschiedliche Tiere mit entsprechend unterschiedlichen Fähigkeiten. Daher sind bei der Klassifikation von Neuronen Abweichungen zwischen Maus und Affe zu erwarten. Unterschiede in der Ausprägung von Zellklassen spiegeln wahrscheinlich fundamentale Abweichungen in der Organisation der Gehirne zwischen Spezies wider.
Stimulus-Tuning und Gamma-Band-Aktivität
Es fiel auf, dass die neue Zellklasse im Vergleich zu den anderen beiden Neuronentypen ein besonders ausgeprägtes Stimulus-Tuning hat. Das heißt, diese Zellen sind besonders gut darin, detaillierte Informationen über einen visuellen Reiz auszulesen und weiterzuleiten. Eine eingehende Analyse zeigte außerdem, dass die auffälligen Aktivitätsmuster hoher Spike-Dichte einem Rhythmus folgen, der synchron zur Gamma-Band-Aktivität des Netzwerks (30 bis 80 Hz) ist. Rhythmische Schwingungen im Gamma-Band, die die synchrone Aktivität vieler, nahe beieinander liegender Neurone reflektieren, wurden im Zusammenhang mit Informationsverarbeitung das erste Mal von Wolf Singers Labor am MPI für Hirnforschung beschrieben. In vielen Untersuchungen wird diese Netzwerkaktivität vernachlässigt, weil es schwierig ist, sie auszuwerten, aber ihre zeitliche Präzision ist bemerkenswert hoch. Die neu beschriebenen Neurone übermitteln also besonders genaue Informationen über einen visuellen Input in einem Zeitfenster, das exakt an den Takt des Gamma-Rhythmus gekoppelt ist. Eine Kombination, die nahelegt, dass diese Neurone besonders effektiv in der Kommunikation mit nachgeschalteten Zellgruppen sind. Das Forschungsprojekt wurde von Dr.
Gedächtnis und Neuronale Spezialisierung
Unser Gedächtnis speichert nicht nur Informationen über vergangene Ereignisse, sondern auch die Umstände, unter denen wir sie erlebt haben. Forschende haben jetzt aufgedeckt, dass unser Gehirn zwei unterschiedliche Gruppen von Neuronen nutzt, um Inhalt und Kontext getrennt voneinander zu speichern. Diese Nervenzellgruppen arbeiten dann koordiniert zusammen, um unsere Erinnerungen zu formen. Unser episodisches Gedächtnis ist bemerkenswert umfassend und präzise: Es speichert gelernte Informationen ab, merkt sich das Aussehen und Verhalten unzähliger Menschen, mit denen wir Kontakt haben und hatten, und kann auch vergangene Emotionen wieder hervorrufen. Dabei ist unser Gedächtnis aber nicht statisch: Schon beim Abspeichern beeinflussen Gefühle, Erwartungen und interne Filtermechanismen, was unser Gehirn langfristig abspeichert und was nicht. Gleichzeitig sind die in unseren Hirnnetzwerken gespeicherten Erinnerungen dynamisch - sie können auch nachträglich verändert und verfälscht werden.
Der Hippocampus als Zentrale des Gedächtnisses
Als Zentrale für unser Gedächtnis gilt der Hippocampus, er kontrolliert das Abspeichern und Abrufen von Gedächtnisinhalten im Cortex. Doch damit eine Erinnerung vollständig ist, muss das Gehirn die Gedächtnisinhalte mit ihrem Kontext abspeichern und wieder aufrufen. Erst dadurch können wir uns beispielsweise an dieselbe Person oder dasselbe Objekt in völlig unterschiedlichen Situationen erinnern. Wir unterscheiden mühelos ein Abendessen mit einem Freund von einem geschäftlichen Treffen mit demselben Freund.
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Konzeptneuronen und die Trennung von Inhalt und Kontext
„Wir wissen bereits, dass tief in den Gedächtniszentren des Gehirns spezifische Zellen, sogenannte Konzeptneuronen, auf diesen Freund reagieren, unabhängig davon in welcher Umgebung er auftaucht“, sagt Seniorautor Florian Mormann von der Universität Bonn. Um die Erinnerungen an ihn mit dem passenden Kontext zu versehen, müssen diese Konzept-Neuronen aber mit weiteren Hirnzellen und Hirnarealen zusammenarbeiten.
Die Frage nach der neuronalen Kombination von Inhalt und Kontext
„Doch wie Gedächtnisinhalt und Kontext beim Menschen auf der Ebene der Neuronen kombiniert werden, ist bislang unklar“, schreiben Mormann und sein Team. „Wir haben uns daher gefragt: Funktioniert das menschliche Gehirn hier grundlegend anders?“, sagt Erstautor Marcel Bausch von der Universität Bonn. „Bildet es Inhalt und Kontext getrennt ab, um ein flexibleres Gedächtnis zu ermöglichen? Und wie verbinden sich diese getrennten Informationen, wenn wir uns bestimmte Inhalte entsprechend dem Kontext merken müssen?“ Um diese Fragen zu klären, haben Bausch und seine Kollegen die Aktivität einzelner Neuronen im Gehirn von 16 Epilepsiepatienten analysiert. Ihnen wurden für eine bessere Diagnose und Operationsvorbereitung Elektroden im Hippocampus und umliegenden Hirnregionen implantiert - und damit in Regionen, die auch für das Gedächtnis essenziell sind. Dies nutzten die Forschenden, um die Hirnreaktionen beim Abspeichern und Aufrufen des episodischen Gedächtnisses genauer zu analysieren. Dafür wurden den Patienten auf einem Bildschirm Bildpaare gezeigt, die sie anhand unterschiedlicher Fragestellungen vergleichen mussten. „Dies erlaubte uns zu beobachten, wie das Gehirn exakt dasselbe Bild in unterschiedlichen Aufgabenkontexten verarbeitet“, sagt Mormann.
Inhalts-Neurone und Kontext-Neurone: Eine Arbeitsteilung im Gehirn
Bei der Auswertung der Daten von mehr als 3.000 einzelnen Neuronen zeigte sich: Während der Betrachtung der Bilder feuerten zwei weitgehend getrennte Neuronengruppen im Gehirn der Testpersonen. Eine Gruppe von Hirnzellen, Inhalts-Neurone getauft, feuerten als Reaktion auf spezifische Bilder unabhängig von der Aufgabe oder dem Kontext. Die zweite Gruppe der Kontext-Neuronen wurden dagegen in Reaktion auf spezifische Aufgabenkontexte aktiv - unabhängig vom gezeigten Bild oder Gegenstand. Wichtig auch: Im Unterschied zu Mäusen agierten diese Neuronen zunächst unabhängig voneinander.
Die Kooperation zwischen Inhalts- und Kontext-Neuronen
Das Experiment zeigte aber auch, dass sich die Kooperation zwischen den Neuronengruppen im Verlauf des Experiments verstärkte. Wenn ein Inhalts-Neuron feuerte, reagierte einige Dutzend Millisekunden später auch das passende Kontext-Neuron. Dies sorgt offenbar dafür, dass nur der relevante Kontext, welcher zuvor aktiv war, abgerufen wird. „Diese Arbeitsteilung erklärt wahrscheinlich die Flexibilität des menschlichen Gedächtnisses. Denn das Gehirn kann dasselbe Konzept in unzählig vielen neuen Situationen wiederverwenden, ohne für jede einzelne Kombination ein spezialisiertes Neuron zu benötigen, indem es Inhalt und Kontext in getrennten „neuronalen Bibliotheken“ aufbewahrt“, sagt Bausch. Mormann ergänzt: „Die Fähigkeit dieser Nervenzellgruppen, sich spontan zu verknüpfen, erlaubt es uns, Informationen zu verallgemeinern und gleichzeitig die spezifischen Details individueller Ereignisse zu bewahren“.
Die Grundstruktur von Nervenzellen
Nervengewebe besteht aus 2 Haupttypen von Zellen: Neuronen (Nervenzellen) und Gliazellen (Glia). Ein Neuron ist die strukturelle und funktionelle/elektrisch erregbare Einheit des Nervensystems, die elektrische Signale empfängt, verarbeitet und über ihre Zellfortsätze zu und von anderen Teilen des Nervensystems weiterleitet. Es gibt mehrere Arten von Neuronen, die aufgrund ihrer anatomischen Struktur und Funktion als sensorische Neuronen, Motoneuronen und Interneuronen klassifiziert werden können.
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Funktionelle Komponenten eines Neurons
Zu den funktionellen Komponenten eines Neurons gehören Dendriten (um Signale zu empfangen), ein Zellkörper (für den Zellstoffwechsel), ein Axon (um Impulse zu Zielzellen weiterzuleiten) und synaptische Verbindungen (spezialisierte Verbindungen zwischen Neuronen, die die Übertragung von Impulsen zwischen ihnen erleichtern; sie kommen außerdem zwischen Axonen und Effektor-/Zielzellen, wie Muskel- und Drüsenzellen, vor).
Gliazellen: Die unterstützenden Zellen des Nervensystems
Stützzellen werden als Neurogliazellen bezeichnet und befinden sich in der Nähe der Neuronen; diese Zellen leiten keine elektrischen Signale. Das ZNS besteht aus 4 Arten von Gliazellen: Oligodendrozyten, Astrozyten, Mikroglia und Ependymzellen, die jeweils eine andere Funktion haben. Im PNS werden die unterstützenden Zellen als periphere Neuroglia bezeichnet und umfassen Schwann-Zellen, Mantelzellen und verschiedene andere Zellen mit spezifischen Strukturen und Funktionen. Schwann-Zellen umgeben die Fortsätze von Nervenzellen und isolieren sie von benachbarten Zellen und der extrazellulären Matrix, indem sie eine lipidreiche Myelinscheide bilden, die eine schnelle Weiterleitung von Nervenimpulsen gewährleistet. Mantelzellen ähneln Schwann-Zellen, umgeben jedoch die Zellkörper der Nervenzellen. Im ZNS produzieren und erhalten Oligodendrozyten die Myelinscheide.
Organisation des Nervengewebes
Ein Nerv besteht aus einer Ansammlung von Bündeln (oder Faszikeln) von Nervenfasern. Innerhalb des ZNS kann das Gehirn- und Rückenmarksgewebe je nach Gewebezusammensetzung als graue oder weiße Substanz klassifiziert werden. Die weiße Substanz besteht vor allem aus myelinisierten Nervenfasern, während die graue Substanz aus neuronalen Zellkörpern besteht.
Verschiedene Arten von Neuronen
Neurone werden in verschiedene Typen eingeteilt, basierend auf ihrer Struktur, Funktion und ihrem Standort im Nervensystem. Einige der wichtigsten Arten von Neuronen sind:
- Sensorische Neurone: Diese Neurone empfangen Informationen von Sinnesrezeptoren im ganzen Körper und leiten diese Informationen an das Gehirn und das Rückenmark weiter.
- Motoneurone: Diese Neurone leiten Signale vom Gehirn und Rückenmark an Muskeln und Drüsen weiter, um Bewegungen und andere Körperfunktionen zu steuern.
- Interneurone: Diese Neurone verbinden sensorische Neurone und Motoneurone miteinander und spielen eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Informationen im Gehirn und Rückenmark.
- Unipolare Neurone: Diese Neurone haben nur einen Fortsatz, der sich vom Zellkörper abzweigt. Sie sind typischerweise in den Ganglien des VIII. Hirnnervs (N. vestibulocochlearis) zu finden.
- Bipolare Neurone: Diese Neurone haben zwei Fortsätze, einen Dendriten und ein Axon. Sie kommen beispielsweise in der Retina vor.
- Multipolare Neurone: Diese Neurone haben mehrere Dendriten und ein Axon. Sie sind die häufigste Art von Neuronen im Gehirn und Rückenmark. Beispiele für multipolare Neurone sind Pyramiden- und Purkinje-Zellen.
Gliazellen: Mehr als nur Stützzellen
Gliazellen sind die zweithäufigste Art von Zellen im Nervensystem. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Unterstützung, Ernährung und dem Schutz von Neuronen. Es gibt verschiedene Arten von Gliazellen, darunter:
- Astrozyten: Diese Zellen versorgen Neuronen mit Nährstoffen, induzieren die Bildung der Blut-Hirn-Schranke und füllen den Extrazellularraum des ZNS aus. Sie puffern extrazelluläre Ionenkonzentrationen und setzen neuroaktive Moleküle frei. Astrozyten können identifiziert werden, weil sie im Gegensatz zu anderen ausgereiften Gliazellen saures Gliafaserprotein (GFAP) exprimieren.
- Oligodendrozyten: Diese Zellen bilden die Myelinscheide um Axone im ZNS.
- Mikroglia: Diese Zellen sind die Immunzellen des ZNS und spielen eine Rolle bei der Entzündung und Reparatur von Nervengewebe.
- Ependymzellen: Diese Zellen kleiden die Ventrikel des Gehirns und den Zentralkanal des Rückenmarks aus und produzieren die Zerebrospinalflüssigkeit.
Neuronale Schaltkreise und Netzwerke
Neurone sind in Schaltkreisen organisiert, die nach strengen Regeln aufgebaut sind. Diese Schaltkreise bilden die Grundlage für die Arbeitsweise des Nervensystems in Form von neuronalen Netzwerken. In neuronalen Verbindungen gibt es Divergenz und Konvergenz. Divergenz bedeutet, dass ein Neuron mit vielen anderen Neuronen in Kontakt steht, während Konvergenz bedeutet, dass ein Neuron von vielen anderen Neuronen Signale empfängt.
Reflexbögen: Ein Beispiel für neuronale Schaltkreise
Ein einfacher Reflexbogen besteht aus mindestens zwei Neuronen: einem sensiblen Neuron und einem motorischen Neuron. Interneurone können zwischen die sensiblen und motorischen Neuronen eingeschaltet sein, um komplexere Reflexe zu ermöglichen.
Erkrankungen des Nervensystems
Erkrankungen des Nervensystems können durch Schädigungen oder Funktionsstörungen von Neuronen oder Gliazellen verursacht werden. Einige Beispiele für neurologische Erkrankungen sind:
- Multiple Sklerose (MS): Eine chronische, entzündliche Autoimmunerkrankung, die zur Zerstörung von Oligodendrozyten und somit zur Demyelinisierung von Nerven im ZNS führt.
- Guillain-Barré-Syndrom (GBS): Eine Familie von immunvermittelten demyelinisierenden Polyneuropathien, die nach Infektionen auftreten, bei denen das Immunsystem die Myelinscheide und Schwann-Zellen angreift.
- Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine neurodegenerative Erkrankung der ersten und zweiten Motoneurone.
- Parkinson-Krankheit: Eine degenerative Erkrankung des Gehirns, die durch den Verlust von dopaminproduzierenden Neuronen in den Basalganglien verursacht wird.
- Alzheimer-Krankheit: Eine neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust von Neuronen und Synapsen im Gehirn gekennzeichnet ist.
- Tollwut (Rabiesvirus): Eine Virusinfektion, die am häufigsten durch den Biss eines infizierten Tieres auf den Menschen übertragen wird. Das Tollwutvirus befällt vor allem neurales Gewebe und dringt in die peripheren motorischen und sensorischen Nerven ein, um retrograd zum ZNS zu wandern.
Techniken zur Untersuchung von Neuronen
Es gibt verschiedene Techniken, um Neuronen und ihre Funktion zu untersuchen. Dazu gehören:
- Histologie: Die Untersuchung von Gewebe unter dem Mikroskop.
- Immunhistochemie: Eine Technik, bei der Antikörper verwendet werden, um spezifische Proteine in Gewebe zu identifizieren.
- Elektrophysiologie: Die Messung der elektrischen Aktivität von Neuronen.
- Bildgebungstechniken: Wie Magnetresonanztomographie (MRT) und Positronenemissionstomographie (PET), die verwendet werden können, um die Struktur und Funktion des Gehirns darzustellen.