Der Hippocampus, eine Hirnstruktur tief im Schläfenlappen, spielt eine zentrale Rolle bei verschiedenen kognitiven Prozessen. Traditionell wird er mit dem Gedächtnis in Verbindung gebracht, insbesondere mit der Überführung von Informationen aus dem Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis. Jüngste Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass der Hippocampus auch an der Verarbeitung von Konflikten und der Koordination von Hirnnetzwerken beteiligt ist. Dieser Artikel beleuchtet die vielfältigen Funktionen des Hippocampus und die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen.
Der Hippocampus als Schaltzentrale des Gedächtnisses
Eine der Hauptfunktionen des Hippocampus ist die Konsolidierung von Gedächtnisinhalten. Um Inhalte des Kurzzeitgedächtnisses langfristig abzuspeichern, ist der Hippocampus notwendig. Zwei Areale dieser Hirnregion, CA1 und CA3, tauschen elektrische Impulse aus und überführen so Gedächtnisinhalte aus dem Kurzzeit- in das Langzeitgedächtnis. Ist dieser Signalaustausch gestört, sind neue Informationen nur für wenige Sekunden abrufbar und gehen dann verloren.
Neuroprothesen zur Unterstützung der Gedächtnisfunktion
Ein Forscherteam um Theodore Berger von der University of Southern California in Los Angeles hat eine Neuroprothese entwickelt, die die Signale eines der Areale im Hippocampus imitiert. Mit ihrer Hilfe gelang es, die Ausprägung von Langzeiterinnerungen in Ratten zu unterstützen. Die Wissenschaftler hatten im Vorfeld die Reaktion der Hippocampusareale CA1 und CA3 gemessen und bestimmte Signalmuster ausfindig gemacht. Ausgehend von diesen Daten benutzten Berger und sein Team ein mathematisches Verfahren um die Antwort eines der beiden Areale auf ein bestimmtes Befeuerungsmuster vorauszusagen. Diesen Daten und Algorithmen folgend, antwortete die Neuroprothese auf empfangene, elektrische Impulse.
In einer verzögerten Lernaufgabe überwachten die Wissenschaftler zunächst die Lernprozesse der Ratten und untersuchten anschließend den Einfluss der Prothese auf deren Gedächtnisleistung. Um in einer Versuchsbox an Trinkwasser zu kommen, sollten die Tiere einen von zwei Schaltern betätigen. Die Ratten mit unbeeinträchtigtem Gedächtnis merkten sich, welchen Schalter sie in der Versuchsbox umlegen mussten, um trinken zu können, wohingegen die Tiere, deren Hippocampus durch ein Medikament beeinträchtigt war, bereits nach wenigen Sekunden vergessen hatten, welcher der vorhandenen Schalter Erfolg versprach. Ratten mit normaler Hirnfunktion hatten auch nach längerer Verzögerung keine Schwierigkeiten, sich an den richtigen Schalter zu erinnern, wohingegen die Ratten scheiterten, welche durch medikamentöse Beeinträchtigung des Hippocampus zum Vergessen gezwungen waren. Bei den Tieren hatten die Wissenschaftler zuvor den Signalaustausch durch einen pharmakologischen Wirkstoff einseitig blockiert.
Wie die Forscher beobachteten, schloss die implantierte Neuroprothese die Gedächtnislücken der vergesslichen Nager. Bei den Ratten, welche sie ohne funktionellen Bedarf mit einer Prothese ausgestattet hatten, verstärkte die zusätzliche Befeuerung im Hippocampus die Langzeitverknüpfungen, so dass diese Erinnerungen über einen größeren Zeitraum erhalten blieben.
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Die Forscher argumentieren, dass der Schlüssel zum Erfolg ihrer Prothese in der Verwendung eines MIMO-Models (Multi-Input/Multi-Output) liegt: Die Prothese misst über viele Elektroden simultan die eingehenden Aktionspotenziale und kann darauf, ebenfalls über viele Kanäle, antworten. Nur durch die Kenntnis der genauen Signalmuster könne man entsprechende künstliche Prothesen erzeugen und einsetzen, um so auch tatsächlich ablaufende Prozesse in Echtzeit zu unterstützen.
Neuroprothesen finden bereits Anwendung, um motorische oder sensorische Störungen auszugleichen. Komplexe Lernprozesse konnte man bisher mit dieser Technik weder ersetzen noch unterstützen. Eine implantierbare Gedächtnisstütze, welche verloren gegangene Hirnfunktionen von Alzheimer- oder Schlaganfallpatienten wiederherstellt, liegt allerdings noch in weiter Ferne. Im nächsten Schritt wollen Berger und seine Kollegen die Neuroprothese an Primaten testen.
Der Hippocampus und die Lösung von Entscheidungskonflikten
Forscher des Universitätsklinikums Bonn, der Ruhr-Universität Bochum sowie aus Aachen und Birmingham haben herausgefunden, dass der Hippocampus auch am schnellen und erfolgreichen Lösen von Konflikten beteiligt ist.
Die Wissenschaftler illustrieren an einem Beispiel die Entscheidungskonflikte, um die es ihnen geht: Wenn eine Fußgängerampel auf Grün springt, würde ein Passant üblicherweise losgehen. Kommt aber gleichzeitig ein Auto angerast, bleibt er besser stehen.
Einen vergleichbaren - wenn auch weniger bedrohlichen - Entscheidungskonflikt konstruierte die Arbeitsgruppe für die Studie: Die Probanden hörten die Wörter „hoch“ oder „tief“ in einer hohen oder einer tiefen Stimmlage und mussten - unabhängig von der Wortbedeutung - angeben, in welcher Tonhöhe der Sprecher die Begriffe sagte. Wenn Stimmlage und Wortbedeutung nicht zusammenpassten, erzeugte das einen Konflikt: Die Teilnehmer antworteten langsamer und machten mehr Fehler.
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Gleich mit zwei Messmethoden zeigte das Team, dass der Hippocampus in solch widersprüchlichen Situationen aktiv ist, und zwar besonders stark, wenn Menschen Konflikte schnell und erfolgreich lösen. Nikolai Axmacher vom Institut für Kognitive Neurowissenschaft in Bochum analysierte die Hirnaktivität bei gesunden Teilnehmern mit der funktionellen Magnetresonanztomografie. Die gleichen Ergebnisse erzielten sie auch bei Epilepsiepatienten, denen zur Operationsplanung EEG-Elektroden in den Hippocampus implantiert worden waren - so konnten die Wissenschaftler die Aktivität dieser Hirnregion direkt messen.
„Unsere Daten zeigen zunächst eine komplett neue Aufgabe des Hippocampus - das Verarbeiten von Handlungskonflikten“, sagt die Erstautorin Carina Oehrn von der Klinik für Epileptologie des Universitätsklinikums Bonn.
Kontextuelles Gedächtnis und die Rolle des Hippocampus
Menschen besitzen die bemerkenswerte Fähigkeit, sich an dieselbe Person oder dasselbe Objekt in völlig unterschiedlichen Situationen zu erinnern. Wir unterscheiden mühelos ein Abendessen mit einem Freund von einem geschäftlichen Treffen mit demselben Freund. Das Gehirn muss diesen Inhalt jedoch mit dem Kontext kombinieren können, um eine nützliche Erinnerung zu bilden.
Um dies zu untersuchen, nutzten die Bonner Forschenden die elektrische Aktivität einzelner Neuronen im Gehirn von Menschen mit medikamentenresistenter Epilepsie. Diesen Patient*innen wurden zu rein diagnostischen Zwecken Elektroden im Hippocampus und umliegenden Hirnregionen implantiert - Regionen, die für das Gedächtnis essenziell sind. Dabei wurden ihnen Bildpaare gezeigt, die sie anhand unterschiedlicher Fragestellungen vergleichen mussten. Zum Beispiel mussten sie entscheiden, ob ein Gegenstand „größer“ ist, wenn der Durchgang mit der Frage „Größer?“ begann.
Das Forschungsteam analysierte über 3.000 Neuronen und identifizierte zwei weitgehend getrennte Nervenzellgruppen: Inhalts-Neurone feuerten als Reaktion auf spezifische Bilder (z. B. einen Keks), unabhängig von der Aufgabe. Kontext-Neurone feuerten als Reaktion auf spezifische Aufgabenkontexte (z. B. die Frage „Größer“), unabhängig vom gezeigten Bild. Im Gegensatz zu Nagetieren kodierten nur sehr wenige Neuronen beides gleichzeitig.
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Die Verbindungen zwischen ihnen verstärkten sich im Laufe des Experiments: Das Feuern eines Inhalts-Neurons begann, die Aktivität eines Kontext-Neurons einige zehn Millisekunden später vorherzusagen. „Es schien, als würde das ‘Keks’-Neuron lernen, das ‘Größer?’-Neuron anzuregen“, sagt Mormann. Dies geschieht im Sinne eines Torwächters für den Informationsfluss, sodass nur der relevante Kontext, welcher zuvor aktiv war, abgerufen wird.
„Diese Arbeitsteilung erklärt wahrscheinlich die Flexibilität des menschlichen Gedächtnisses. Zwar nutzte die Studie spezifische Fragen als interaktive Kontexte am Laptop, doch gibt es auch andere Kontexte, die passiv sind, wie zum Beispiel der Raum, in dem man sich befindet. Es bleibt zu klären, ob diese Hintergrundkontexte des Alltags durch dieselben neuronalen Mechanismen verarbeitet werden. Zudem müssen die Mechanismen auch noch außerhalb des Kliniksettings überprüft werden.
Der Hippocampus als Metronom des Kurzzeitgedächtnisses
Eine aktuelle Studie der Universität Bonn und der Fachhochschule Koblenz zeigt, dass das menschliche Gehirn über eine Art Metronom verfügt, das die Vorgänge im Kurzzeitgedächtnis koordiniert.
Darin hatten die Forscher ihren Probanden Fotos von Gesichtern vorgelegt. Manchmal zeigten sie ihnen nur ein Bild, manchmal zwei oder sogar vier. Kurz darauf präsentierten sie ihren Versuchspersonen ein weiteres Foto. Diese sollten nun angeben, ob sie es zuvor schon gezeigt bekommen hatten oder ob es sich um ein neues Gesicht handelte. „Während dieses Experiments haben wir die Hirnströme der Teilnehmer aufgezeichnet“, erläutert der Bonner Hirnforscher Dr. Nikolai Axmacher.
Die Wissenschaftler konzentrierten sich bei ihrem Experiment auf eine Struktur im Schläfenlappen, den Hippocampus. Die elektrische Aktivität in dieser Region ändert sich zyklisch - der Hippocampus „schwingt“. Und das gleichzeitig in verschiedenen Frequenzen; Hirnforscher sprechen auch von „Bändern“. Das so genannte Theta-Band beispielsweise schwingt nur mit vier bis acht Hertz (ein Hertz ist ein Zyklus pro Sekunde) - deutlich langsamer als das Gamma-Band, das auf 25 bis 100 Hertz kommt.
Wenn das Kurzzeitgedächtnis aktiv wird, übernimmt die langsame Theta-Trommel plötzlich die Rolle des Metronoms und gibt der Gamma-Trommel den Takt vor. Hirnforscher sprechen auch von „frequenzübergreifender Kopplung“.
„Wir vermuten, dass die Erinnerung an die verschiedenen Gesichter sequentiell aufgefrischt wird“, erklärt Axmachers Kollege Dr. Jürgen Fell. „Und zwar jedes Gesicht zu seinem eigenen spezifischen Zeitpunkt im Theta-Zyklus.“ Es ist, als würde der Hippocampus die besonderen Merkmale der Gesichter zu den Schlägen der Gamma-Trommel rhythmisch vor sich hinmurmeln. Der Theta-Takt bestimmt hingegen die Zeitspanne, die dem Kurzzeitgedächtnis zur Auffrischung sämtlicher Gesichter insgesamt zur Verfügung steht.
Für diese Interpretation spricht ein weiterer Befund: Die Theta-Schwingung wurde nämlich umso langsamer, je mehr Gesichter sich die Probanden merken sollten. Je mehr Information das Kurzzeitgedächtnis speichern muss, desto länger braucht es auch, um diesen Inhalt zyklisch aufzufrischen.
Der Hippocampus und die Ergänzung von Erinnerungen
Wenn wir das Foto von einem sonnigen Strandtag betrachten, meinen wir manchmal fast, noch den Geruch von Sonnencrème zu riechen. Unser Gehirn ergänzt häufig Erinnerungen um damit verknüpfte Gedächtnis-Inhalte. Eine neue Studie der Universitäten Bonn und Birmingham zeigt nun, welche Mechanismen dabei ineinander greifen.
Die Versuchsteilnehmer sahen zunächst Bilder einer Landschaft, in die Fotos von Objekten eingefügt waren. In einem zweiten Durchgang wurden ihnen nur die Landschafts-Aufnahmen gezeigt. Sie sollten dann sagen, welches Foto hier zuvor zusätzlich zu sehen war. Die Forscher zeigten Versuchspersonen in acht Versuchsdurchgängen jeweils zehn Landschafts-Bilder. Zusätzlich war in jeder Aufnahme ein Detailfoto mit einem von zwei Objekten eingefügt, etwa einer Himbeere oder eines Skorpions. Die Probanden durften sich jedes der zusammengesetzten Fotos drei Sekunden ansehen. Nach einer kurzen Pause bekamen sie in einem zweiten Durchgang nur die Landschaften zu sehen.
„Gleichzeitig haben wir uns die Hirnaktivität der Teilnehmer angeschaut“, erklärt Prof. Dr. Dr. Florian Mormann, der am Universitätsklinikum Bonn die Arbeitsgruppe Kognitive und Klinische Neurophysiologie leitet. „Dabei haben wir uns auf zwei Hirnregionen konzentriert - den Hippocampus und den entorhinalen Cortex, ein Gebiet der Hirnrinde.“
Die Wissenschaftler stießen nun auf einen interessanten Befund: In der Erinnerungsphase feuerten zunächst die Nervenzellen im Hippocampus. Das war auch bei einer Kontrollaufgabe der Fall, bei der die Teilnehmer sich nur einfache Landschaftsaufnahmen hatten einprägen müssen. Bei der Aufgabe, in der die Bilder eine zusätzliche Information enthalten hatten - also etwa das Foto eines Skorpions -, dauerte die Hippocampus-Aktivität jedoch deutlich länger an.
Das Aktivitätsmuster im Cortex ähnelte stark der Erregung, die wir dort in der Lernphase gemessen hatten, also bei der Betrachtung des zusammengesetzten Bildes. In der Tat ging diese Ähnlichkeit so weit, dass eine Analyse-Software aus der Aktivität des entorhinalen Cortex ablesen konnte, ob sich der jeweilige Teilnehmer gerade an einen Skorpion oder eine Himbeere erinnerte. „Wir sprechen auch von einer Re-Instanziierung“, sagt Staresina. Die Wissenschaftler vermuten, dass der Hippocampus für diese Re-Instanziierung verantwortlich ist.
Der Hippocampus in der Forschung: Einblick in die Funktionsweise des Gedächtnisses
Die Messungen wurden an der Klinik für Epileptologie in Bonn durchgeführt - einem der größten Epilepsiezentren Europas. Hier werden unter anderem Patienten behandelt, die unter schweren Formen einer Schläfenlappen-Epilepsie leiden. Dabei versucht man, das defekte Nervengewebe operativ zu entfernen, das die Krampfanfälle auslöst. Um den Krampfherd zu lokalisieren, werden dazu in manchen Fällen zunächst Elektroden ins Gehirn der Kranken implantiert. Über diese lässt sich die Aktivität der Nervenzellen aufzeichnen.
Die Methode erlaubt einen faszinierenden Einblick in die Funktionsweise unseres Gedächtnisses.
Netzwerkzustände und der Hippocampus
Für die Informationsverarbeitung in Säugetiergehirnen ist eine komplexe Koordination der neuronalen Aktivität notwendig - von den lokalen Zellgruppen bis hin zu den Interaktionen des Gesamtgehirns. Um die Gehirnfunktion auf all diesen Ebenen zu verstehen, wird die Beziehung zwischen Aktionspotenzialen, lokalen Feldpotenzialen und der Hirnaktivität in verschiedenen Strukturen untersucht.
Wenn wir denken, arbeiten die Hirnregionen nicht getrennt voneinander, sondern über sogenannte Netzwerke. Kleine lokale Netzwerke bestehen aus Neuronengruppen und sind in Mikroschaltungen organisiert. Die Aktivität dieser zahlreichen Nervenzellen und der unterschiedlichen Hirnstrukturen muss koordiniert werden. Würden sie alle zur selben Zeit miteinander interagieren, entstünde Chaos und kein klarer Gedanke wäre mehr möglich.
Die Gehirnnetzwerke sind sehr dynamisch: Verbindungen zwischen einzelnen Zellen oder ganzen Hirnbereichen werden gestärkt oder wieder abgebaut. Durch die Selbstorganisation der miteinander kommunizierenden Hirnareale entstehen verschiedene sogenannte „Netzwerkzustände“. Darunter verstehen wir die neuronale Aktivität in verschiedenen Hirnstrukturen zu einem bestimmten Zeitpunkt sowie die Konsequenzen, die sie auf das Verhalten eines Organismus hat. Ein typisches Beispiel für Netzwerkzustände sind die Schlafphasen des Menschen.
Grundsätzlich ist die Klassifikation von Hirnzuständen bisher noch nicht ganz eindeutig zu treffen und bedarf weiterer Forschung. Vieles weist jedoch darauf hin, dass das Repertoire der verschiedenen Zustände dazu genutzt wird, entsprechendes Verhalten zu erzeugen, das das Überleben sichert. So etwa die Suche nach Essbarem oder nach Schutz.
Um solche Netzwerkzustände erkennen zu können, muss die Anzahl der Netzwerk-Interaktionen auf unterschiedlichen räumlichen Ebenen gemessen werden. Daraus ergibt sich wiederum, dass unterschiedliche Signalarten gemessen werden müssen. Diese Aktionspotenziale oder neuronalen Spikes sind ein wichtiges Merkmal der Informationsverarbeitung auf zellulärem Level. Das Signal einer einzelnen Nervenzelle muss jedoch immer im Zusammenhang gesehen werden: Wenn sie nämlich gleichzeitig mit anderen Zellen aktiv ist, wird die Information vom Gehirn mitunter vollkommen anders interpretiert - die Nachricht bekommt auf Systemebene eine andere Bedeutung. So aktiviert ein Telefonklingeln beispielsweise eine Nervenzelle im auditorischen System - die Zelle selbst unterscheidet dabei aber nicht, ob dies nun im eigenen Haus oder im Haus eines Freundes stattfindet.
Bei der Messung der Gehirnaktivität im Versuchsaufbau ist die Ableitung der Aktivität einzelner Nervenzellen naturgemäß eingeschränkt - es lässt sich nur eine begrenzte Anzahl an Zellen gleichzeitig aufnehmen. Wie kann man aber die übrigen Nervenzellaktivitäten aufzeichnen, um den Zusammenhang auf Systemebene zu entziffern und zu verstehen, was das Signal des einzelnen Neurons bedeutet? Hier hilft die Messung des lokalen Feldpotenzials (LFP) weiter: Mikroelektroden nehmen Signale aus den Zellzwischenräumen auf, die in der Nähe der Elektrodenspitze ablaufen, und liefern damit aussagekräftige Informationen über die Aktivität von Neuronenpopulationen. Beziehungen zwischen in verschiedenen Strukturen erfassten LFPs können zudem zur Identifizierung von Interaktionen im Gesamtgehirn verwendet werden. Ausschließlich durch diese lokalen Feldpotenziale können Netzwerkzustände aber auch nicht in großem Maßstab erfasst werden.
BOLD-Signale sind trotz allem mit Nachteilen behaftet - dies liegt an ihrer geringen zeitlichen Auflösung und ihrer abweichenden Beziehung zur elektrischen Hirnaktivität. Um zu verstehen, welche Strukturen an bestimmten Hirnfunktionen beteiligt sind und vor allem wie, ist deshalb eine Kombination mehrerer Methoden notwendig.
Sharp-Wave-Ripple-Komplexe (SWRs) und Gedächtniskonsolidierung
Wenn wir uns an eine kürzlich gemachte Erfahrung erinnern, kommen uns Momentaufnahmen von dem, was wir gehört und gesehen haben, in den Sinn. Dadurch sind wir in der Lage, sehr konkrete Probleme zu lösen. Neurowissenschaftler gehen davon aus, dass beim Kramen im Gedächtnis dieselben Neuronenverbindungen im Neokortex wieder aktiviert werden, die beim Blick auf das Portemonnaie aktiv waren. Während dieser sogenannten "Replays" sind dieselben Neuronenverbände aktiv wie beim Erlebnis selbst.
Es wird vermutet, dass der Hippocampus - eine phylogenetisch alte Hirnstruktur innerhalb des Schläfenlappens jeder Gehirnhälfte - eine entscheidende Rolle im Abruf von Erlebnissen als auch in der Überführung dieser Erlebnisse ins Langzeitgedächtnis spielt. Um eine Gedächtnisspur zu reaktivieren, erzeugt der Hippocampus eine intensive Hirnwelle, die sich im LFP-Signal beobachten lässt, und die als Sharp-Wave-Ripple-Komplex (SWR) bezeichnet wird. Dabei ist ein sehr schneller Ripple, Hochfrequenzschwingung (über 100 Zyklen pro Sekunde) mit einer langsameren "scharfen" Potenzialänderung, der Sharp Wave, kombiniert.
Die Signale mehrerer einzelner Nervenzellen werden präzise synchronisiert und in Form dieses Ripples zu den Neuronen der Hirnrinde gesendet, um einen Replay hervorzurufen. Diese Zielneuronen können in mehreren spezialisierten Hirnarealen sitzen. Das Auftreten der SWR ist entscheidend für das Abspeichern einer Erinnerung - und macht es möglich, dass wir uns über Monate, Jahre oder sogar unser ganzes Leben lang an Ereignisse oder an Fakten erinnern.
Während des Tiefschlafs tauchen die SWRs regelmäßig auf. Durch die synchronisierte Informationsweiterleitung zum Kortex werden synaptische Verbindungen ausgebaut und verstärkt. So entstehen feste Verbindungen zwischen den Neuronen eines definierten Netzwerks - und damit die Gedächtnisspur. Ist eine dieser so vernetzten Nervenzellen aktiv, aktiviert sie durch die starke Verbindung zu den anderen das gesamte Netzwerk.
Zur Untersuchung der Wiedergabe-Eigenschaften auf multiplen Ebenen wurde im MPI für biologische Kybernetik eine Versuchseinrichtung entwickelt, mit der sich elektrophysiologische und BOLD-Signale in nicht-menschlichen Primaten simultan erfassen lassen. Damit wurde es erstmals möglich aufzuzeichnen, was im Gesamtgehirn abläuft, während eine spezifische Struktur elektrisch aktiv ist: der Hippocampus. Durch Mikroelektroden erfassen die Forscher die Hippocampus-Aktivität simultan zur BOLD-Aktivität vom Gesamtgehirn. Mit Hilfe automatisierter multivariater Analysetechniken identifizierten sie neuronale Ereignisse mit grundlegenden elektrophysiologischen Merkmalen von Sharp Wave Ripples.
Es zeigte sich, dass während eines SWRs die Stoffwechselaktivität der Hirnrinde stärker wird, während die der Strukturen im Zwischenhirn, wie etwa des Thalamus, heruntergefahren wird. Der Thalamus leitet normalerweise Eindrücke aus der Umwelt an die Hirnrinde weiter. Wird dies aber während der SWRs unterbunden, wäre freie Bahn für die Kommunikation zwischen dem Cortex und anderen Hirnregionen - wie dem Hippocampus.
Ursprünglich ging man davon aus, dass die erneute Aktivierung einer Gedächtnisspur nur für die Gedächtniskonsolidierung während des Schlafs genutzt wird. Inzwischen kommen Neurowissenschaftler immer mehr zu dem Schluss, dass die Replays von Gedächtnisspuren auch in vielen anderen Situationen auftreten. Das Gehirn nutzt die Ripples vermutlich auch, um Erinnerungen abzurufen. Währenddessen kann sich das Gehirn in ganz unterschiedlichen Netzwerkzuständen befinden.
Um diese Hypothese zu überprüfen, haben sich die Forscher am MPI für biologische Kybernetik die Aktivierungsmuster angeschaut, die gleichzeitig mit einem Ripple auftreten. Zudem haben sie Mustererkennungstechniken verwendet, um die Existenz sehr ausgeprägter Unterarten von Sharp Wave Ripples nachzuweisen, die jeweils eine spezifische Phasenbeziehung zu den Ripple-Hochfrequenzschwingungen aufweisen: Hochfrequenzschwingungen können der Sharp-Wave-Spitze vorangehen, ihr folgen oder mit ihr zusammenfallen und als Welle ohne deutliche Sharp-Wave-Signatur auftreten.
Entscheidend ist dabei, dass diese Unterarten mit verschiedenen Änderungen im Gesamtgehirn assoziiert waren, wie aus den Zeitverläufen von BOLD-Aufzeichnungen über mehrere Gehirnregionen während des Auftretens jedes Ereignisuntertyps zu ersehen war. Insbesondere waren Untertypen mit Differenzen in der BOLD-Reaktion in mehreren neuromodulatorischen Zentren verbunden, die für die Regulierung der Aktivität vieler Gehirnstrukturen verantwortlich sind, um beabsichtigte Ergebnisse wie Lernen, Wachzustand oder Belohnung zu erreichen.
Die obigen Ergebnisse zeigen, dass elektrophysiologische Ereignisse wie Sharp-Wave-Ripple-Komplexe auf Korrelate zurückzuführen sein können, die sich über ihre Messstelle hinaus ausdehnen, was zeigt, wie großangelegt die neuronale Informationsverarbeitung ist. Vor allem die subkortikalen Strukturen - wie z. B. der Thalamus - haben häufig einen wichtigen Einfluss auf die Aktivität der Hirnrinde. Ein wichtiger Aspekt für zukünftige Studien ist, dass man von einer Aktivität auf einer Ebene auf die einer anderen schließen kann. Dies würde es ermöglichen, die elektrische Aktivität in den Hirnregionen nur auf Basis der Magnetresonanztomographie-Aufnahmen abzuschätzen.
Tiefe Hirnstimulation und der Hippocampus
Eine mögliche zukünftige Therapieform könnte die sogenannte Tiefe Hirnstimulation sein, die auch als Hirnschrittmacher bekannt ist. Ein Forschungsteam der Charité - Universitätsmedizin Berlin hat in einer Studie ein spezifisches Netzwerk im Gehirn von Alzheimer-Patient:innen ausgemacht, dessen Stimulation mit einer Linderung der Symptome einherging. Bei Menschen mit Alzheimer-Erkrankung hat die Tiefe Hirnstimulation des neuronalen Bereichs zwischen Fornix und dem Kerngebiet der Stria terminalis die stärksten positiven Effekte gezeigt. Zusätzlich sind die beiden Hirnstrukturen Thalamus und Hippocampus sowie die Stimulationselektroden dargestellt.
Die Tiefe Hirnstimulation (THS) ist ein therapeutisches Verfahren, das in Deutschland bereits zur Behandlung von neurologischen Bewegungsstörungen wie der Parkinson-Erkrankung und der Dystonie sowie für neuropsychiatrische Erkrankungen wie etwa die Zwangsstörung zugelassen ist. Im Gehirn der Betroffenen werden dafür feinste Elektroden implantiert, die fortwährend schwache, kurze elektrische Impulse an die jeweiligen Hirnregionen abgeben. Die Elektroden verbleiben dauerhaft im Gehirn und sind über Kabel, die unter der Haut verlaufen, an einen Schrittmacher im Brustraum angeschlossen.
Ausgangspunkt der aktuellen Studie, die neben anderen Kooperationspartnern in enger Zusammenarbeit mit der Universität Toronto, Kanada, entstand, war eine Zufallsbeobachtung im Rahmen einer kanadischen Untersuchung. „Die Tiefe Hirnstimulation löste bei einem Patienten, der aufgrund einer Adipositas behandelt wurde, Flashbacks - also plötzliche Erinnerungen aus Kindheit und Jugend - aus“, sagt Dr. Ana Sofía Ríos von der Klinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie am Charité Campus Mitte und Erstautorin der Studie. Um dem nachzugehen, implantierten Forschende an sieben internationalen Zentren im Rahmen einer weiteren multizentrischen Studie bei an leichtem Alzheimer erkrankten Teilnehmenden Elektroden in diesem Bereich des Fornix.
Die Forschungsgruppe um Prof. Andreas Horn hat sich darauf spezialisiert, hochaufgelöste Bilder des Gehirns, die mithilfe der Kernspintomographie aufgenommen werden, zu analysieren und in Kombination mit Computermodellen die optimalen Stimulationspunkte für eine THS im Gehirn hochpräzise aufzuspüren. Das Forschungsteam um Prof. Horn konnte aber bei denjenigen Alzheimer-Patient:innen, bei denen die THS anschlug, die genaue Position der Elektroden anhand der Bilddaten im Nachgang exakt bestimmen. Sie liegt an einer Zweigstelle zwischen zwei Nervenfaserbündeln - dem Fornix und der Stria terminalis -, die tiefgelegene Hirnregionen miteinander verbinden.
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