Einführung
Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Netzwerk von Neuronen, die ständig miteinander kommunizieren. Diese Kommunikation ermöglicht es uns zu denken, zu fühlen und zu handeln. Ein wichtiger Aspekt dieser neuronalen Kommunikation ist die Inhibition, ein Prozess, der die Aktivität bestimmter Neuronen oder neuronaler Schaltkreise reduziert oder unterdrückt. Inhibition ist entscheidend für eine Vielzahl von kognitiven Funktionen, von der Aufmerksamkeitssteuerung bis zur Entscheidungsfindung. Dieser Artikel beleuchtet verschiedene Aspekte der Inhibition im Gehirn, von den beteiligten Hirnarealen und Neurotransmittern bis hin zu den Auswirkungen von Inhibitionsstörungen auf neurologische und psychische Erkrankungen.
Grübeln und der Gyrus frontalis inferior
Prof. Dr. Simone Kühn vom Max-Planck-Institut für Bildungsforschung in Berlin führte eine Studie durch, die den Zusammenhang zwischen Grübeln und Hirnaktivität untersuchte. Die Probanden wurden an jedem Trainingstag nach der Häufigkeit intrusiver Gedanken befragt. Die Ergebnisse zeigten, dass Personen, die häufiger grübelten, eine erhöhte Aktivität im linken Gyrus frontalis inferior aufwiesen, einer Region, die auch als Broca-Areal bekannt ist und eine wichtige Rolle bei der Sprachproduktion spielt. Dies deutet darauf hin, dass Grübeln mit innerem Sprechen verbunden sein könnte, einem ständigen Mit-sich-selbst-sprechen.
Zusätzlich wurde festgestellt, dass Personen, die angaben, mehr zu grübeln, weniger graue Gehirnsubstanz im rechten Gyrus frontalis inferior aufwiesen. Dieser Bereich ist typischerweise mit Handlungsinhibition verbunden. Dies könnte darauf hindeuten, dass Personen, die viel grübeln, Schwierigkeiten haben, das Grübeln zu stoppen.
Interessanterweise zeigte eine dritte Studie, dass Personen, die während der Messung im MRT viel grübelten, eine geringere Aktivität im präfrontalen Cortex aufwiesen. Dieses Ergebnis unterstützt die These, dass das Problem beim Grübeln darin besteht, es nicht stoppen zu können. Obwohl Frauen häufiger grübeln als Männer, ergaben die Studien keine Hinweise auf Unterschiede im Gehirn zwischen den Geschlechtern. Das häufigere Grübeln von Frauen ist wahrscheinlich eher mit der höheren Rate von Depressionen bei Frauen verbunden, da starkes Grübeln eines der ersten Frühwarnzeichen für eine Depression ist.
Der Hippocampus und der Entorhinale Cortex
Ein weiteres faszinierendes Beispiel für die Bedeutung der Inhibition im Gehirn findet sich in der Forschung zum Hippocampus und zum Entorhinalen Cortex. Der Hippocampus ist eine Hirnstruktur, die eine entscheidende Rolle für die räumliche Orientierung und das Gedächtnis spielt. Der Entorhinale Cortex dient als "Nadelöhr" zum Hippocampus, durch das die meisten Signale gelangen müssen.
Lesen Sie auch: Überblick: Brodmann-Areale
Neurowissenschaftler haben entdeckt, dass diese beiden Hirnregionen eng miteinander kommunizieren, nicht nur über erregende, sondern auch über hemmende Nervenfasern, die den Neurotransmitter GABA ausschütten. Diese hemmenden Neurone bilden Direktverbindungen zwischen den beiden Strukturen und tragen so zum Zusammenspiel der beiden Gehirnareale bei.
Mithilfe eines neuen Nachweisverfahrens konnten die Forscher die einzelnen Nervenverbindungen im Gehirn sichtbar machen und zugleich deren Funktion im Detail studieren. Sie schleusten ein leuchtendes lichtempfindliches Protein gezielt in die hemmenden GABA-Neuronen im Hirngewebe von Mäusen ein. Anhand des Leuchtmarkers ließ sich unter dem Mikroskop der Verlauf der langen Nervenausläufer zwischen den beiden Hirnarealen genau verfolgen.
Es stellte sich heraus, dass die Zielzellen dieser neuen Direktverbindungen größtenteils hemmende Interneurone sind. Diese Interneurone vernetzen lokal hunderte benachbarter Neuronen und geben dadurch den Takt in ganzen Hirnarealen vor. Die Aktivierung der hemmenden Langstreckenneurone hat einen gewaltigen Effekt, da ihre Zielzellen, die Interneurone, wie Dirigenten große Ensembles von Nervenzellen synchronisieren.
Neurochemie der Inhibition: Glyzin und GABA
Glyzin und GABA sind die beiden wichtigsten hemmenden Botenstoffe im zentralen Nervensystem. Störungen der hemmenden Erregungsübertragung können zu neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie oder Hyperekplexie führen. Durch die Analyse gentechnisch veränderter Mäuse wurden zwei neue Genorte, das Collybistin- und das Glyzintransporter 2-Gen, als an diesen Krankheiten beteiligt identifiziert. Genetische Untersuchungen an Patienten belegen, dass beide Genorte in der Tat Krankheitsgene beim Menschen darstellen.
Glyzin und GABA werden in den Nervenendigungen in kleinen Membranbläschen, den synaptischen Vesikeln, gespeichert. Bei Erregung der Nervenzelle verschmelzen diese Vesikel mit der Zellmembran und schütten so ihren Inhalt auf die Zielneurone aus. Hier binden beide Neurotransmitter an spezifische Rezeptoren und bewirken so eine Hemmung (Inhibition) dieser Zellen.
Lesen Sie auch: Aufbau der Gehirnareale
Mutationen in den Rezeptorproteinen, die die Hemmung von Zielzellen durch GABA oder Glyzin vermitteln, führen zu Epilepsie beziehungsweise Hyperekplexie. Auch die Inaktivierung von Genen für Ankerproteine, welche die Rezeptoren an der Synapse halten, oder für Transporter, die die Neurotransmitter nach erfolgter Signalweiterleitung in die umliegenden Zellen schaffen, verursachen schwere Fehlfunktionen der jeweiligen Synapsen.
Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Hirnforschung konnten mit Collybistin ein weiteres Protein identifizieren, das für die Funktion von inhibitorischen Synapsen wichtig ist. Collybistin gehört zu einer großen Familie intrazellulärer Signalproteine, den so genannten kleinen GTPasen, die viele zelluläre Prozesse regulieren. Collybistin ist für die synaptische Lokalisation von Gephyrin und bestimmten inhibitorischen GABAA-Rezeptorsubtypen in Vorderhirnbereichen wie dem Hippocampus und den Mandelkernen (Amygdala), nicht aber im Rückenmark, wichtig. Funktionell wird die Collybistin-Defizienz bei Mäusen an einer Reduktion der hemmenden Erregungsübertragung sichtbar. Auf der Verhaltensebene bewirkt sie neben einer milden Form von Epilepsie auch Störungen im Angst- und Lernverhalten.
Mutationen bzw. Defekte im Collybistin-Gen liegen Formen des Schwachsinns zugrunde. Mutationen im GlyT2-Gen können für die Entstehung humaner Formen der Hyperekplexie verantwortlich sein.
Inhibition des mimischen Schmerzausdrucks
Obwohl erste Befunde darauf hinweisen, dass Inhibitionsmechanismen bei der Regulation des mimischen Schmerzausdrucks eine wichtige Rolle spielen, kann dies bisher nicht als zuverlässige Schlussfolgerung gesehen werden. So ist zum jetzigen Zeitpunkt weder klar, welche Art von Inhibitionsmechanismus für die Regulation von Schmerzmimik besonders relevant ist, noch welche Gehirnareale an dessen Vermittlung ausschlaggebend beteiligt sind. Darüber hinaus ist bisher nicht bekannt, ob und wie die Inhibition des mimischen Schmerzausdrucks durch psychosoziale Faktoren beeinflusst wird.
Eine Studie konnte nachweisen, dass die Stärke des mimischen Schmerzausdrucks durch die Leistung in der Antisakkaden-Aufgabe (Indikator motorischer Inhibition) vorhergesagt werden kann. Eine andere Studie zeigte, dass eine durch rTMS bedingte präfrontale Aktivitätsreduktion mit einer erhöhten Schmerzmimik einherging. Dies deutet darauf hin, dass präfrontale Aktivität maßgeblich an der Inhibition von Schmerzmimik beteiligt ist.
Lesen Sie auch: Schlaganfall – Ein umfassender Überblick
Die Inhibition des mimischen Schmerzausdrucks bei Erwachsenen hängt von psychosozialen Einflüssen - hier der Vertrautheit der Interaktionspartner - ab. Tatsächlich deuten die Daten an, dass die Inhibition von Schmerzmimik in Anwesenheit des Partners reduziert und im Beisein eines Versuchsleiters (zumindest bei Frauen) verstärkt wird.
Es scheint also - über ein „Inhibitionsgate“, das vornehmlich für die Inhibition automatischer, motorischer Reaktionen zuständig ist - zu einer „Ausgangskontrolle“ der automatisch generierten Mimikreaktion zu kommen. Dieses „Gate“ und somit das Ausmaß der Inhibition über die Schmerzmimik wird dabei von der Aktivität präfrontaler Areale reguliert, was schlussendlich die Stärke des mimischen Schmerzausdrucks (mit-)bestimmt. Die Aktivität dieses „Inhibitionssystems“ scheint dabei zudem immer vom Kontext beeinflusst zu sein, in dem sich die Person mit Schmerzen befindet.
Kognitive Kontrolle und motorische Inhibition
Kognitive Kontrolle ist ein zentraler Mechanismus, um das eigene Verhalten steuern zu können, vor allem bei neuen oder ungeübten Handlungen. Sie wird hauptsächlich durch laterale und medial-frontale Hirnareale gesteuert. Vor allem für die Regulierung von verschiedenen Top-down Prozessen wie Planung, dem Wechseln zwischen verschiedenen Aufgaben oder der Unterdrückung gewohnheitsmäßiger Reaktionen wird kognitive Kontrolle benötigt. Insbesondere wird es dadurch ermöglicht, aus einer Auswahl möglicher alternativer Antworten die korrekte auszuwählen und diese Entscheidung anschließend zu bewerten.
Ein Aspekt der kognitiven Kontrolle ist die Inhibition von (ungewollten) motorischen Handlungen oder Bewegungen. Obwohl kognitive Kontrolle bei älteren Personen normalerweise beeinträchtigt ist, trifft dies nicht auf die motorische Inhibition zu. Dennoch zeigen ältere Probanden Defizite in bestimmten Bereichen der kognitiven Kontrolle, wie zum Beispiel bei der Fehlererkennung.
Feintuning der neuronalen Empfindlichkeit
Die Neuronen im Gehirn können ihre Empfindlichkeit selbstständig feintunen. Dabei spielt ein bestimmtes Enzym namens SLK eine Rolle. Bei diesem Mechanismus spielen spezielle Nervenzellen eine wesentliche Rolle, die sogenannten Interneurone. Interneurone senden hemmende Aktionspotenziale an erregte Nervenzellen. Sie drehen dadurch gewissermaßen an dem Knopf, der ihre Empfindlichkeit reduziert.
Es gibt zwei unterschiedliche Typen von Interneuronen. Die einen werden direkt durch die eingehenden Impulse aus dem Thalamus aktiviert. Sie hemmen die Nervenzellen schon, während diese gleichzeitig vom Thalamus erregt werden. Ein anderer Typ wird dagegen erst durch die Aktivität der Nervenzellen in der Hirnrinde angeschaltet - also exakt der Neuronen, die sie nachher hemmen sollen. Sie sind also Teil einer negativen Rückkopplungsschleife.
Interessant ist das auch deshalb, weil das Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung für die Funktion des Gehirns ausgesprochen wichtig ist. Das zeigt sich zum Beispiel bei der Epilepsie: Die charakteristischen Krampfanfälle entstehen durch eine Übererregung großer Nervenzell-Areale. Tatsächlich zeigen Studien, dass bei manchen Epilepsiepatienten weniger SLK in Nervenzellen gefunden wird als normalerweise.
Bewegungshemmung und -erregung im präfrontalen Cortex
Die Entscheidung, wann das Gehirn auf einen externen Reiz mit der Unterdrückung von Handlungsimpulsen reagiert und wann nicht, hängt ganz maßgeblich vom Gleichgewicht zwischen Arealen der Bewegungshemmung und -erregung im präfrontalen Cortex (PFC) ab. Neuronale Verknüpfungen an der Stirnseite der Großhirnrinde sorgen dafür, dass sich das Gehirn bewusst für oder gegen eine Reaktion entscheiden kann.
In einem Versuch trainierten die Forscher gentechnisch manipulierte Ratten auf reaktives und proaktives Stoppen. Die Optogenetik erlaubte es der Forschungsgruppe, gentechnisch manipulierte Gehirnzellen mithilfe von Licht gezielt zu deaktivieren. So konnte das Team systematisch bestimmte Unterregionen des PFC der Versuchstiere abschalten und den Einfluss der jeweiligen Regionen auf die Bewegungsentscheidung testen.
Die Deaktivierung bestimmter PFC-Areale veränderte die Leistungsfähigkeit deutlich: Eine Unterdrückung von Gebieten des infralimbischen Cortex (IL) oder des orbitofrontalen Cortex (OFC) behinderte die Fähigkeit der Ratten, auf externe Reize schnell zu reagieren. Wurde dagegen der prälimbische Cortex (PL) deaktiviert, reagierten die Ratten mehrheitlich vorzeitig.
Die Erkenntnisse der Forscher stützen die Annahme, dass der infralimbische und der prälimbische Cortex in der Steuerung proaktiver Bewegung als Reaktion auf externe Reize sowie der orbitofrontale Cortex in der Kontrolle von reaktivem Verhalten die Rolle von Gegenspielern einnehmen.
Laterale Hemmung
Laterale Hemmung ist ein Prinzip der nervösen Informationsverarbeitung der Sinnessysteme, das vorwiegend der Kontrast-Bildung dient (benachbarte Helligkeiten, benachbarte Töne). Die von den Rezeptoren zu den Projektionsfeldern im Gehirn laufenden spezif. afferenten Bahnen sind derart verschaltet, dass jede einzelne Rezeptorzelle mit einer Vielzahl von Neuronen der nächsthöheren Schicht über kollaterale Verbindungen «divergierend» verbunden ist (Divergenzprinzip der Erregungsleitung). Andererseits erhält jedes Neuron der nächsthöheren Schicht seine Information (Afferenz) gleichzeitig von einem großen Areal nächstniedrigerer Elemente, z. B. den Rezeptoren (Konvergenzprinzip). Laterale Hemmung kommt nun dadurch zustande, dass die gleichzeitige Erregung benachbarter Rezeptoren über hemmende Interneurone mit hemmenden Synapsen eine Hemmung der Erregung des jew. Nachbarelementes zur Folge hat.
tags: #inhibitions #areale #im #gehirn