Die komplexen Funktionen des Gehirns, insbesondere die des Neokortex, beruhen auf der hochorganisierten Aktivität von Neuronen höherer Ordnung. Dieser Artikel beleuchtet die Funktion, Entwicklung und Bedeutung dieser Neuronen, wobei sowohl entwicklungsbiologische Aspekte als auch die Rolle von Netzwerkaktivitäten und Bewusstsein berücksichtigt werden.
Entwicklung des Neokortex und Neurogenese
Die Entwicklung des Säugetierhirns, insbesondere des Neokortex, ist eng mit seiner Evolution verbunden. Der Neokortex, der evolutionär jüngste Teil der Großhirnrinde, ist der Sitz wichtiger Funktionen wie Sinneswahrnehmung und Kognition höherer Ordnung. Die Neurogenese im sich entwickelnden Neokortex ist ein komplexer Prozess, der verschiedene kortikale Vorläuferzellen, neuronale Musterbildung, kortikale Faltung, Variationen und Fehlbildungen der kortikalen Entwicklung sowie die Entstehung von Neuronen und ihre Wanderung zu ihren funktionellen Positionen umfasst.
Während der Entwicklung bilden Neuronen eine stereotype, neurontypspezifische Morphologie aus, die auf der dynamischen Unterstützung durch Mikrotubuli (MTs) beruht. Ein wichtiger Akteur ist der Augmin-Komplex, der an bestehende MT-Filamente bindet und den γ-Tubulin-Ringkomplex (γ-TuRC) rekrutiert, um verzweigte MTs zu bilden. Augmin ist wichtig für die Neuritenbildung. Studien haben gezeigt, dass die MT-Dichte durch Augmin in Zusammenarbeit mit dem γ-TuRC in vivo aufrechterhalten wird. Mutierte c4da-Neuronen zeigen eine Verringerung der neu entstehenden dendritischen Verzweigungen höherer Ordnung und im Gegenzug auch eine geringere Anzahl ihrer charakteristischen raumfüllenden Verzweigungen höherer Ordnung.
Interaktion zwischen Hippocampus und Neokortex bei der Gedächtniskonsolidierung
Das räumliche und deklarative (Wissens-) Gedächtnis bilden sich in zwei Stufen - zunächst werden neue Inhalte in Netzwerken des Temporalhirns (v.a. dem Hippocampus) gespeichert, um anschließend zur Ausbildung langfristiger Engramme in den Neokortex übertragen zu werden. Die Mechanismen dieses zweiten Schritts, der so genannten Gedächtniskonsolidierung, sind weitgehend unverstanden.
Forschungen befassen sich mit den Interaktionen zwischen Hippocampus (HC) und Neokortex, insbesondere dem präfrontalen Kortex (PFC), der nachweislich an der Gedächtniskonsolidierung beteiligt ist und direkte synaptische Eingänge aus dem Hippocampus erhält. Ziel ist es zu untersuchen, wie Signale des HC die neuronale Aktivität des PFC verändern, welche koordinierten Aktivitätsmuster sich im PFC finden, wie sich aktivitätsabhängige Plastizität der HC-PFC-Projektion im PFC auswirkt und welche Funktion die Interaktion der Netzwerke von HC und PFC auf Verhaltensebene hat.
Lesen Sie auch: Neuronen einfach erklärt
Die Forschung hat die Identifizierung komplexer und spezifischer Formen rhythmischer Netzwerkaktivität in HC und Neokortex ermöglicht. Verschiedene langsame Oszillationen (Theta- und atemsynchrone Rhythmen) werden von unterschiedlichen schnellen Rhythmen (Gamma-Oszillationen) überlagert und bilden so hochspezifische Muster höherer Ordnung aus. Die systematische Untersuchung der Ausbreitung atemsynchroner Rhythmen im Gehirn der Maus hat gezeigt, dass weite Bereiche des Gehirns in regionen- und zustandsspezifischer Weise vom Atemrhythmus synchronisiert werden. Darüber hinaus wurde ein neuer regulatorischer Mechanismus der Kalzium-Homöostase in hippocampalen Neuronen entdeckt, an dem die Proteine APP und APLP2 wesentlich beteiligt sind, indem sie die Funktion und Expression der SERCA-ATPase am endoplasmatischen Retikulum (Ca2+ -Speicher) und die Expression der speicherbetriebenen Ca2+-Kanal assoziierten Proteine Stim1 und Stim2 steuern. Dieser Mechanismus könnte wesentlich zu den Gedächtnisstörungen in frühen Phasen neurodegenerativer Erkrankungen beitragen.
Neuronale Netzwerke: Organisation und Funktion
Das Gehirn ist nicht linear organisiert, sondern dreidimensional. Die Signale der neuralen Netzwerke sind auf komplexe Weise räumlich strukturiert und zeitlich getaktet. Neuronale Netzwerke funktionieren durch ein komplexes Zusammenspiel aktivierender und hemmender Signale, welche die Aktionspotenziale der einzelnen Nervenzellen beeinflussen. An diesem Zusammenspiel sind zahlreiche verschiedene Nervenzelltypen beteiligt, darunter etwa diverse Interneurone und Pyramidenzellen. Bislang kennt man über einhundert Neuronenklassen.
Die Netzwerke im Gehirn sind räumlich strukturiert. Nervenzellen tun sich nach dem Small-World-Prinzip zusammen: Viele kurze Verbindungen ermöglichen eine große Reichweite. Ein Code des neuronalen Zusammenspiels ist der Takt, mit dem Nervenzellen feuern. Man nennt die verschiedenen Wellen Oszillationen. Es gibt sie in unterschiedlichen Hertz-Bereichen. Nervenzellen interagieren miteinander nach den Prinzipien der Konvergenz und der Divergenz. Auf globaler Ebene sorgen Netzwerke für die unterschiedlichen Funktionszustände im Gehirn, etwa das Träumen oder den Wachzustand. Nur wenige Nervenzellen sind zeitgleich aktiv. Die vielen anderen erfüllen vermutlich spezialisierte Funktionen, die nicht oft gebraucht werden, etwa spezielle Erinnerungen. Nervenzellen sind manchmal spontan aktiv - ohne äußeren Anlass. Solche Erregungen können sich im Kleine-Welt-Netzwerk des Gehirns nicht nur lokal, sondern - seltener - auch global ausbreiten. Die Statistik dieser Wellen fasziniert Hirnforscher. Sie zeigt nämlich, dass die Architektur eines Netzwerks sein Aktivitätsmuster bestimmt.
Zentrale Mustergeneratoren
Auch eine hirnlose Katze kann laufen, und das isolierte Rückenmark eines Neunauges zeigt dieselben Erregungsmuster, wie man sie beim schwimmenden Fisch ableiten kann. Der Grund: Im Rückenmark, aber auch im Hirnstamm von Wirbeltieren gibt es Ansammlungen von Neuronen, die nach einmaliger Stimulation rhythmische Aktivitätsmuster über lange Zeit aufrechterhalten: Sie heißen Zentrale Mustergeneratoren (englisch: central pattern generators). Neben Körperbewegungen wie Laufen, Schwimmen und Fliegen steuern sie rhythmische Aktivitäten wie Essen und Atmen. Es stellt sich die Frage, ob man kleine und große Netzwerke im Großhirn ebenfalls als zentrale Mustergeneratoren betrachten kann. Einige anatomische und biophysikalische Ähnlichkeiten sprechen dafür. Auch ihre Erregungsdynamik ist vergleichbar und die Art, wie die Muster von außen moduliert werden.
Der Code des Denkens: Erregung, Hemmung und Oszillationen
Der Code des Denkens ist komplex. Betrachtet man nur ein einzelnes Neuron, ist Vereinfachung möglich: Es feuert oder es feuert nicht. Den Zustand aktiver oder stummer Nervenzellen kann man mit 1 oder 0 symbolisieren. Schon bei zwei Neuronen, die durch eine Synapse verbunden sind, kommt entweder Erregung oder Hemmung ins Spiel. Sendet Neuron A - das präsynaptische - einen erregenden Botenstoff an Neuron B - das postsynaptische -, wird dessen Membran depolarisiert - die negative Membranspannung sinkt. Die Folge: Ein Aktionspotenzial wird wahrscheinlicher. Umgekehrt wirken hemmende Botenstoffe. Sie vergrößern die vorhandene Membranspannung und verringern die Chance, dass das postsynaptische Neuron feuert. „Das Wechselspiel von Hemmung und Erregung hält das Gehirn im Gleichgewicht“, betont Andreas Draguhn. „Übererregung im Gehirn kann zum Beispiel zu Epilepsie führen.“
Lesen Sie auch: Nervenzellen: Eine einfache Erklärung
Es gibt viele verschiedene Neuronenklassen, weit über einhundert. Allein im Areal CA1 im Hippocampus interagieren 21 Typen von hemmenden Interneuronen mit den dort reichlich vorhandenen Pyramidenzellen. Die 21 Typen schütten alle denselben Botenstoff aus: GABA, die Gamma-Aminobuttersäure. Sie unterscheiden sich jedoch in anderen Eigenschaften, etwa wo sie an der Pyramidenzelle andocken - am Zellkörper, am Axon oder an den Dendriten - und wann sie feuern: kurz vor den Pyramidenzellen, gleichzeitig mit ihnen oder zeitversetzt.
Rhythmen, auch Oszillationen genannt, sind typisch für viele Teile des Gehirns. Für CA1 im Wachzustand charakteristisch ist ein Theta-Rhythmus (4 bis 7 Hertz). Zellen im medialen Septum des Vorderhirns wirken als Taktgeber, ein anderer Neuronentyp gibt den Takt mithilfe des Transmitters Acetylcholin an den Hippocampus weiter.
Konvergenz und Divergenz neuronaler Signale
Das Areal CA1 eignet sich auch gut, um zwei weitere Prinzipien zu illustrieren: die Konvergenz und die Divergenz neuronaler Signale. „Eine Pyramidenzelle empfängt Impulse von bis zu 10.000 anderen Neuronen über ihre Synapsen“, erläutert Draguhn. „Das ist ein hoher Grad von Konvergenz.“ Dies bedeutet, dass die einzelne Synapse sehr wirkungsschwach sein muss, denn erst die Integration der hemmenden und erregenden Einflüsse bestimmt, ob die Pyramidenzelle die Schwelle zum Feuern überschreitet oder nicht. Andererseits kommt es durchaus auch auf synaptische Einzelstimmen an, denn bisweilen kann schon ein einzelnes hemmendes Signal das Entstehen eines Aktionspotenzials maßgeblich beeinflussen. Treffen Erregungen aus unterschiedlichen Quellen gleichzeitig ein, kann das für die Empfängerzelle ein Zeichen für die Koinzidenz von Ereignissen sein, also dem zeitlichen Zusammentreffen zweier Ereignisse, etwa so: Wenn ich (als Versuchsmaus) das blaue Feld erreiche, gibt es Futter.
Globale Verschaltungsmuster und das Kleine-Welt-Phänomen
Hirnanatomische Untersuchungen haben gezeigt, dass es sowohl kurze Verbindungen zwischen Neuronen gibt - im Mikrometer-Bereich, auch lokal genannt -, als auch lange - im Dezimeter-Bereich, auch global genannt. Das Bild ähnelt den Beziehungen in der Wirtschaft. Sozialpsychologen kennen das Muster unter dem Überbegriff „Kleine-Welt-Phänomen“. Dahinter steht die Vorstellung, dass jeder Mensch mit jedem anderen auf der Erde über überraschend wenige Zwischenschritte verbunden ist. Ein solches Kleine-Welt-Netzwerk ist nicht nur gut darin, Nachrichten schnell über weite Strecken zu verbreiten. Es ist auch besonders stabil und gegen Ausfälle geschützt. Den langen Verbindungen zwischen Neuronen ist es wiederum zu verdanken, dass das Gehirn ganz unterschiedliche Funktionszustände annehmen kann: Es kann zum Beispiel wach sein oder schlafen. Sogar die Feinregulation im Schlaf, etwa die Intensität unserer Träume, scheint durch Veränderungen an der Netzwerkstruktur bewerkstelligt zu werden.
Das Default-Mode-Netzwerk
Vor einigen Jahren entdeckten Wissenschaftler ein Netzwerk, das dann aktiv ist, wenn das Gehirn zur Ruhe kommt und scheinbar gar nichts tut. Es wurde Default-Mode-Netzwerk getauft. Beherrscht es unser Gehirn, geraten wir ins Tagträumen oder beschäftigen uns mit uns selbst.
Lesen Sie auch: Überblick: Verschaltung und Erregung
Sparsity: Die Dunkle Materie des Gehirns?
Im menschlichen Gehirn gibt es rund 86 Milliarden Nervenzellen. Wissenschaftler stellen immer wieder fest, dass nur ein kleiner Teil der dort vorhandenen Nervenzellen sich durch Aktionspotenziale bemerkbar macht. Sie haben das Phänomen „sparsity“ - Seltenheit - getauft. Was ist mit den stummen Neuronen los? Sind sie - analog zur Dunklen Materie im Kosmos - eine Art Dunkle Materie des Gehirns? „Die höchste Informationsdichte würde man erreichen, wenn etwa die Hälfte aller Neuronen gleichzeitig aktiv wäre“, sagt Andreas Draguhn. „Offensichtlich arbeitet das Gehirn nicht in diesem optimalen Bereich.“ Energetische Gründe mögen eine Rolle spielen. So haben Wissenschaftler berechnet, dass ein Gebilde wie der menschliche Neocortex gar nicht genug Energie aus dem Blut beziehen könnte, um mehr als ein Prozent seiner Neuronen gleichzeitig zum Feuern zu bringen. Aber warum ist unser Gehirn dann überhaupt so groß geworden? Auch Nervengewebe aufzubauen, um es dann kaum zu nutzen, kostet Energie. Die Antwort wird wahrscheinlich in den Inhalten zu finden sein, mit denen sich das Gehirn beschäftigt.
Funktionelle Netzwerke und neuronale Cliquen
Amerikanische Wissenschaftler stießen bei menschlichen Versuchspersonen auf hochspezialisierte Zellen: Sie feuerten beim Anblick einer bestimmten prominenten Person, Jennifer Aniston etwa. Auch die Nennung des jeweiligen Promi-Namens genügte, um die Zelle zu erregen. Wie solche funktionellen Netzwerke gebildet und aufrechterhalten werden, ist noch weitgehend ungeklärt. Woran man solche Neuronen-Ensembles von außen erkennen kann, scheint leichter zu beantworten. So haben Wissenschaftler sowohl in Hirngewebeproben als auch in lebenden Gehirnen so genannte „synfire chains“ beobachtet: Sequenzen synchroner oder asynchroner Aktivität, die sich über benachbarte Zellen ausbreiten und sich etwa im Sekundentakt wiederholen. Sie sind vergleichbar einem kurzen musikalischen Motiv. Manchmal sind die Muster auch komplexer, gleichen einem einfachen Lied und wurden deshalb „cortical songs“, cortikale Lieder, getauft.
Ein Team um Joe Z. Tsien von der Georgia Regents Universität in Augusta fand „neuronale Cliquen“, kleine Gruppen von Neuronen, die auf bestimmte Aspekte eines Ereignisses reagierten, das die Versuchstiere erlebt hatten. Zum Beispiel: „Der Boden wackelt“. Die neuronale Repräsentation des gesamten Ereignisses - Erdbeben - setzte sich dann hierarchisch aus den Aktivitäten mehrerer Cliquen zusammen. Tsien und Kollegen haben die von ihnen gefundenen neuronalen Cliquen in einer Liste erfasst und ihre Aktivität bzw. Nicht-Aktivität mit 1 bzw. 0 kodiert. So gelangen sie doch noch zu einem einfachen Code - einem Gedächtnis-Code für Mäuse.
Primäres und höheres Bewusstsein
Die Konzepte des primären und höheren Bewusstseins sind zentral für das Verständnis der neuronalen Grundlagen des Erlebens. Das primäre Bewusstsein beinhaltet die Fähigkeit, gegenwärtige Ereignisse wahrzunehmen und zu kategorisieren, während das höhere Bewusstsein die Fähigkeit zur Reflexion über sich selbst und die Welt in Raum und Zeit einschließt.
Primäres Bewusstsein
Das primäre Bewusstsein ist an die messbare Gegenwart gebunden und beinhaltet die Wahrnehmungskategorisierung von Signalen aus der äußeren Welt. Es ermöglicht einem Lebewesen, ein Bild der aktuellen Situation zu erstellen und darauf zu reagieren. Diese Form des Bewusstseins ist nicht an ein symbolisches Gedächtnis gebunden und hat kein Gefühl für Vergangenheit und Zukunft.
Höheres Bewusstsein
Das höhere Bewusstsein geht über die Wahrnehmung der Gegenwart hinaus und beinhaltet ein Gedächtnis für Symbole und die ihnen zugeordneten Bedeutungen. Es ermöglicht die Reflexion über vergangene Ereignisse und die Planung zukünftiger Handlungen. Das höhere Bewusstsein ist eng mit der Sprachfähigkeit verbunden und ermöglicht die soziale Übermittlung und das Lernen. Es ermöglicht, ein Modell für die Welt zu gewinnen, einen Begriff von der Vergangenheit zu entwickeln und einen Rahmen von Vergangenheit und Zukunft zu schaffen.
Neuronale Grundlagen des Bewusstseins
Die Entstehung des Bewusstseins höherer Ordnung hängt von der Evolution einer neuen Beschaffenheit des Gehirns ab. Es erfordert die Fähigkeit, die eigenen Handlungen in Beziehung zur Umwelt zu setzen und die Konsequenzen des Handelns zu verstehen. Die Entwicklung des Bewusstseins höherer Ordnung ist ein komplexer Prozess, der soziale Interaktionen, Lernen und die Entwicklung der Sprachfähigkeit umfasst.
Speziesabhängige Unterschiede in der Architektur kortikaler Neuronen
Forschende haben gezeigt, dass sich Primaten und Nichtprimaten in der Architektur ihrer kortikalen Neuronen unterscheiden. Die Unterschiede liegen darin, an welcher Stelle der Nervenzelle der als Axon bezeichnete Fortsatz entspringt, der für die Weiterleitung elektrischer Potenziale zuständig ist. Bisher galt es als Lehrbuchwissen, dass dieses Axon, von wenigen Ausnahmen abgesehen, aus dem Zellkörper der Nervenzelle entspringt. Das Axon kann jedoch auch von einem Dendriten entspringen. Die erregenden Pyramidalneuronen insbesondere der äußeren Schichten II und III der Großhirnrinde von Primaten besitzen deutlich weniger Axon-tragende Dendriten als Pyramidalneuronen von Nichtprimaten. Ebenso deutliche Unterschiede lassen sich innerhalb einer Spezies (Katze, Mensch) zwischen den verschiedenen Typen der hemmenden Interneuronen feststellen.