Gamma-Oszillationen, Hirnstromwellen im Frequenzband von 30 Hz und mehr, spielen eine entscheidende Rolle bei der neuronalen Kommunikation und der Verarbeitung von Informationen im Gehirn. Diese Oszillationen entstehen durch die aggregierte Aktivität von Nervenzellen und beeinflussen, wie Reize innerhalb der Hirnstrukturen synchronisiert, weitergeleitet und codiert werden. Jüngste Forschungen haben die Bedeutung von Gamma-Oszillationen in verschiedenen Bereichen hervorgehoben, von der visuellen Wahrnehmung und Aufmerksamkeit bis hin zum Verständnis neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen und sogar der neuronalen Prozesse im Sterbeprozess.
Die Rolle von Interneuronen bei der Erzeugung von Gamma-Oszillationen
Die Erzeugung von Gamma-Oszillationen hängt von einer komplexen Interaktion zwischen erregenden und hemmenden Neuronen ab. Innerhalb dieser Interaktion spielen spezifische Arten von Interneuronen eine entscheidende Rolle. Forschende des Ernst Strüngmann Instituts unter der Leitung von Prof. Martin Vinck haben untersucht, wie zwei Arten von Gehirnzellen, Parvalbumin- (PV+) und Somatostatin-Interneuronen (Sst+), bei der Erzeugung visuell induzierter Gamma-Oszillationen zusammenwirken.
Die Ergebnisse zeigten, dass PV+-Zellen als "Dirigenten" des Gamma-oszillären Rhythmus fungieren. Sie feuern früh und mit großer Präzision, um das neuronale Netzwerk synchron zu halten. Sst+-Zellen hingegen entfalten ihre Aktivität später und sorgen für feinere Anpassungen, die zur Stabilisierung der Oszillationen beitragen. Dieses Zusammenspiel deutet darauf hin, dass PV+- und Sst+-Interneurone die Erregbarkeit somatischer und dendritischer Nervenkompartimente mit präzisen Zeitverzögerungen steuern, die durch Gamma-Oszillationen koordiniert werden. Die Berücksichtigung der Morphologie exzitatorischer Neuronen legt ein erweitertes Gamma-Modell nahe, das über das klassische PING-Modell (Pyramidal Interneuron Network Gamma) hinausgeht.
Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse entwickelten die Forschenden ein neues Computermodell, das grundlegende Einblicke in die Art und Weise liefert, wie inhibitorische Neuronen die Stabilität und Oszillationen in kortikalen Schaltkreisen regulieren. Diese Erkenntnisse könnten relevante Anknüpfungspunkte für das tiefere Verständnis der Genese von Erkrankungen wie der Alzheimer-Demenz oder Formen von Schizophrenie bieten.
Gamma-Oszillationen und visuelle Wahrnehmung
Gamma-Oszillationen spielen auch eine wichtige Rolle bei der visuellen Wahrnehmung. Die Sehrinde, auch visueller Kortex genannt, verarbeitet Sehinformationen und leitet diese von niedrigeren zu höheren Hirnarealen weiter. Dabei greift das Gehirn auf zwei Prinzipien zurück: Bottom-up und Top-down.
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- Bottom-up: Informationen fließen von den Augen zu höheren Gehirnarealen.
- Top-down: Höhere Gehirnareale beeinflussen den Bottom-up-Strom und steuern die Aufmerksamkeit auf wichtige Dinge.
Forschende haben herausgefunden, dass der Bottom-up-Strom im Gehirn das Gamma-Band um die 60 Hertz nutzt. Informationen wandern von "unten" nach "oben", indem die rhythmischen Aktivitätsschwingungen niederer Gehirngebiete nach und nach den Rhythmus des nächsthöheren Areals beeinflussen. Der Top-down-Strom hingegen nutzt den Alpha- und Beta-Frequenzbereich (10-20 Hertz), um Informationen von höheren zu niedrigeren Arealen zu senden.
Eine Studie mit Makaken und Menschen bestätigte, dass das menschliche Gehirn andere Frequenzbereiche für den Informationstransport von hierarchisch höheren zu niedrigeren Arealen nutzt als den Gammafrequenzbereich des Bottom-up-Stroms. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, die Ursachen psychiatrischer Erkrankungen besser zu verstehen und eines Tages behandeln zu können, da bei manchen psychischen Erkrankungen der Top-down- und Bottom-up-Strom durcheinander zu geraten scheinen.
Gamma-Oszillationen als Marker für neuronale Aktivität und visuelle Verarbeitung
Eine aktuelle Studie zeigt, wie Gamma-Oszillationen im visuellen System Rückschlüsse darüber zulassen, was ein Mensch sieht. Rhythmische Schwingungen sind im Gehirn allgegenwärtig und verraten einiges darüber, was der Besitzer des Hirns gerade treibt. Unklar ist jedoch, welcher Natur dieser Zusammenhang ist: Sind die oszillierenden Wellen lediglich ein Nebenprodukt neuronaler Aktivität?
Die Studie zeigt erstmals einen Zusammenhang zwischen visueller Wahrnehmung unter natürlichen Bedingungen und Gamma-Aktivität im Gehirn von Menschen. Die Stärke der Oszillationen hing davon ab, wie viel Struktur das Bild beinhaltete. Bilder mit wenig Struktur und größeren einheitlichen Grauflächen ergaben schwache Gamma-Antworten; Bilder mit starker Struktur über das gesamte Foto ergaben auch starke Gamma-Antworten. Mithilfe eines Algorithmus, der häufig im Bereich der Computervision eingesetzt wird, gelang es, die Korrelation zwischen Bildstruktur und rhythmischer Hirnaktivität genau zu quantifizieren. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Erkenntnisse, die durch Untersuchungen mit Makaken gewonnen wurden, tatsächlich auf den Menschen übertragbar sind: Je mehr zu sehen ist, desto deutlicher die Schwingungen.
Gamma-Oszillationen und Schmerzverarbeitung
Auch bei der Verarbeitung nozizeptiver Reize, also Reize, die Schmerz verursachen, spielen Gamma-Oszillationen eine Rolle. Insbesondere im primären somatosensorischen Kortex (S1), wo die Verarbeitung von Sinnesreizen wie dem Schmerzempfinden stattfindet, wurden durch Nozizeption ausgelöste Gamma-Oszillationen beobachtet. Diese Oszillationen bilden sowohl bei Menschen als auch bei Tieren Schmerzen und schmerzbezogene Verhaltensweisen zuverlässig ab, was auf ihr Potenzial als neuronale Biomarker hindeutet.
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Ein Forscherteam hat herausgefunden, dass die Schmerzintensität im S1 bevorzugt durch Parvalbumin(PV)-positive GABAerge Interneurone vermittelt wird und diese speziellen neuronalen Zellen nozizeptiv ausgelöste Gamma-Oszillationen steuern. Die Ergebnisse bestätigen, dass Gamma-Oszillationen in S1 beim Menschen selektiv die Schmerzintensität verkörpern und bei Nagetieren eng mit der Spiking-Aktivität von PV-positiven Interneuronen verbunden sind. Die Kalzium-Bildgebung zeigte, dass PV-Interneurone - und nicht Pyramidenzellen - die Schmerzintensität bevorzugt kontrollieren.
Diese Ergebnisse sind nicht nur für das Verständnis der Physiologie der kortikalen nozizeptiven Verarbeitung von Bedeutung, sondern haben auch weitreichende Auswirkungen, da Gamma-Oszillationen in der klinischen Praxis und der Arzneimittelentwicklung zunehmend als Schmerz-Biomarker anerkannt werden.
Gamma-Oszillationen und Parkinson-Krankheit
Bei der Parkinson-Krankheit, einer chronisch fortschreitenden neurodegenerativen Störung, treten charakteristische Veränderungen der elektrischen Aktivität im Gehirn auf. Insbesondere in den Basalganglien, einem Netzwerk tief im Inneren des Gehirns, das Bewegungen vorbereitet, filtert und koordiniert, entstehen charakteristische Schwingungen und ein breitbandiges Gehirnrauschen.
Eine neue Studie wertet die Tiefenhirnsignale von Patienten mit Tiefer Hirnstimulation systematisch aus und zeigt, dass gerade dieses Rauschen eine präzise elektrische Signatur für motorische Symptome enthält. Entscheidend ist die Kombination aus Beta-Wellen und aperiodischer Breitbandleistung, die gemeinsam den Schweregrad der Erkrankung besser abbilden als bisherige Marker.
Die Forscher analysierten, wie sich Offset und Steigung des Spektrums zwischen stärker und weniger betroffenen Hemisphären unterscheiden und wie sie sich durch Medikamente verändern. Der Offset kann dabei als Maß für die gesamte Energie im Frequenzspektrum verstanden werden, während die Steigung beschreibt, wie stark die Leistung zu höheren Frequenzen hin abfällt. Zusammen mit der Stärke der Beta-Wellen und einem unteren Gamma-Band ergibt sich so eine mehrdimensionale elektrische Signatur, die weit über einfache Ein-Band-Marker hinausgeht.
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Die Studie zeigt, dass sich zwischen den beiden Hemisphären eines Patienten systematische Unterschiede in der aperiodischen Breitbandleistung finden, die zu den unterschiedlich ausgeprägten motorischen Symptomen auf der rechten und linken Körperseite passen. Damit liefert das Gehirnrauschen Anhaltspunkte für pathologische Aktivitätsmuster, die direkt mit der täglichen Beeinträchtigung der Patienten verknüpft sind.
Langfristig könnten solche Spektralparameter als Baustein für adaptive Formen der Tiefenhirnstimulation dienen. Moderne Neurostimulatoren sind prinzipiell in der Lage, nicht nur Impulse abzugeben, sondern auch kontinuierlich die lokale Aktivität im subthalamischen Nucleus zu erfassen. Wenn sich die aperiodische Breitbandleistung und die Kombination aus Beta-Wellen und Gamma-Aktivität als stabile elektrische Signatur bewährt, könnten künftige Systeme ihre Stimulationsstärke dynamisch an diese Parameter koppeln.
Gamma-Oszillationen im Sterbeprozess
Was passiert im Gehirn, wenn ein Mensch stirbt? Erkenntnisse dazu stammten bisher überwiegend von Nahtoderfahrungen. Eine US-Studie deutet nun darauf hin, dass unser Gehirn im Augenblick des Todes wirklich Erinnerungen aufflackern lässt.
Die behandelnden Ärzte führten bei einem 87-Jährigen, der nach einem Sturz am Kopf operiert worden war und epileptische Anfälle hatte, mehrere Elektroenzephalographien (EEG) durch. Während einer solchen Aufzeichnung erlitt der Patient einen Herzinfarkt und starb. Insgesamt wurden 15 Minuten der Hirnaktivität beim Sterben des Mannes aufgezeichnet.
Kurz bevor und nachdem das Herz aufhörte zu schlagen, sahen die Wissenschaftler Veränderungen in einem bestimmten Frequenzbereich der neuronalen Schwingungen, den sogenannten Gamma-Oszillationen, aber auch in anderen wie Delta-, Theta-, Alpha- und Beta-Oszillationen. Die in der Studie beschriebenen Frequenzmuster ähneln jenen, die beim Meditieren oder beim Abruf von Erinnerungen auftreten. Das legt nahe, dass das Gehirn kurz vor dem Tod durch Erzeugung solcher Oszillationen möglicherweise letzte Erinnerungen an wichtige Lebensereignisse abspielt, ähnlich wie bei Nahtoderfahrungen.
Frank Erbguth, ärztlicher Leiter der Nürnberger Universitätsklinik für Neurologie, überraschen die Beobachtungen nicht: "Es ist nichts Neues, dass sich das menschliche Gehirn in bestimmten Situationen seine eigenen Bilderwelten schafft." Bei diesen zeigten EEGs vermehrte Gamma-Spektren - ähnlich jenen, von denen die Studie berichte: "Und von diesen Gamma-Aktivitäten wissen wir, dass sie einen Abruf von Erinnerungen anzeigen."
Allerdings beruhe die Studie auf einem einzigen Patienten, dessen Gehirn verletzt war und der zudem epileptische Anfälle erlitten hatte. Hieraus Folgerungen auf das normale sterbende Hirn zu ziehen, sei schwierig. Nichtsdestotrotz beinhaltet die Studie für den Neurochirurgen Zemmar Hoffnung für Angehörige: "Auch wenn unsere Lieben ihre Augen geschlossen haben und bereit sind, zur Ruhe zu kommen, spielt ihr Gehirn vielleicht noch einmal einige der schönsten Momente ab, die sie erlebt haben."