Die Fähigkeit, Zeit zu messen, ist für viele Verhaltensweisen von Lebewesen unerlässlich. Von der Millisekunde bis zur Jahreszeit - das Nervensystem und die Organe des Körpers bestimmen die Rhythmen unseres Lebens. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Mechanismen, die Neuronen und andere Zellen verwenden, um die Zeit zu messen, und wie diese Mechanismen unser Verhalten und unsere Physiologie beeinflussen.
Einführung
Die Zeitwahrnehmung ist ein komplexer Prozess, der auf verschiedenen Ebenen des Nervensystems und des Körpers stattfindet. Sie reicht von der Wahrnehmung kurzer Zeitintervalle, die für die Verarbeitung sensorischer Informationen und die Steuerung von Bewegungen notwendig sind, bis hin zur Wahrnehmung längerer Zeiträume, die für die Steuerung von circadianen Rhythmen und saisonalen Anpassungen wichtig sind. Um die Mechanismen der Zeitmessung zu verstehen, ist es notwendig, die verschiedenen neuronalen Schaltkreise, zellulären Prozesse und molekularen Mechanismen zu untersuchen, die an diesem Prozess beteiligt sind.
Neuronale Grundlagen der Zeitmessung
Sequentielle Aktivität von Neuronen
Eine der Grundvoraussetzungen für sinnvolles Verhalten ist, dass Netzwerke im Gehirn genau definierte Sequenzen neuronaler Aktivität erzeugen. Experimente haben gezeigt, dass das Verhalten von Tieren von der sequentiellen Aktivität der Neuronen in verschiedenen Gehirnregionen begleitet wird. Forscher haben mehrere Modelle möglicher Mechanismen entwickelt, die die Entstehung dieser geordneten Abfolge erklären sollen.
Neurowissenschaftler des Bernstein Center Freiburg (BCF) und der Königlichen Technischen Hochschule Stockholm (KTH) haben herausgefunden, dass Neuronen bei einem kleinen Teil ihrer Projektionen eine bestimmte Richtung bevorzugen müssen und benachbarte Neuronen dieselbe bevorzugte Richtung teilen müssen, damit ein untrainiertes Gehirn gut geordnete Aktivitätssequenzen erzeugen kann. Wenn das Netzwerk nach diesen Regeln verdrahtet ist, entsteht eine Art Aktivitätslandschaft, die dem geographischen Raum mit Hügeln und Tälern ähnelt. Kleine Variationen im räumlichen Gefüge der Nervenzellen erzeugen bestimmte zeitliche und räumliche Sequenzen neuronaler Aktivität.
Synaptische Integration
Der Schlüssel zum Identifizieren von Vorgängen, die gleichzeitig stattfinden, liegt in der synaptischen Integration. Einzelne Nervenzellen können damit erkennen, ob Signale von ihren Nachbarn zusammengehören. Die meisten Neuronen des Nervensystems erhalten über ihre Synapsen tausende von Signalen und integrieren diese derart, dass ein einziges Ausgangssignal entsteht: das Aktionspotenzial. Signale, die innerhalb kurzer Zeit von einem einzelnen Neuron gesendet werden, können dabei ebenso aufaddiert werden, wie solche, die von verschiedenen Nervenzellen stammen, und (fast) zur gleichen Zeit eintreffen. Diese Reize werden aber nur dann weitergeleitet, wenn eine bestimmte Schwelle überschritten wird.
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Hirnwellen
Neurone im Neocortex geben einen ganz anderen Rhythmus an. Zellen unterschiedlicher Regionen können dabei zusammenarbeiten, und verraten dies in Form von „Hirnwellen“, die sich Mithilfe des Elektroenzephalogramms (EEG) sichtbar machen lassen. Generell unterscheidet man Gamma-, Beta-, Alpha-, Theta- und Delta-Wellen, die mit unterschiedlichen Zuständen des Bewusstseins und der kognitiven Aktivität verbunden sind.
Forschende vermuten schon länger, dass Frequenzen über 30 Hertz die synchrone Zusammenarbeit verschiedener Zellnetzwerke des Gehirns koordinieren. Bartos und ihr Team schauten sich die Kommunikation zwischen Interneuronen im Hippocampus von Mäusen genauer an und fanden heraus, dass die umliegenden Zellen, wenn sie sich aus ihrem Ruhezustand lösen, empfänglich gegenüber bestimmten Informationen sind. Sie werden dann zur Bildung eines gemeinsamen Aktionspotentials angeregt, sodass ein Signal auf andere Neuronen übertragen werden kann.
Gedächtnis und Reihenfolge von Ereignissen
Wie behält das Gehirn die Abfolge von Ereignissen im Gedächtnis? Ein Forschungsteam um Prof. Florian Mormann hat diese Frage untersucht, indem es eine Besonderheit der Therapie von Epilepsie genutzt hat. In der Studie lösten die Teilnehmenden mit Epilepsie eine Merkaufgabe, während ihre Neuronenaktivität gemessen wurde. Anders als zuvor gedacht ist es so, dass die genaue Abfolge der Zellantworten im Gehirn nicht mit der Abfolge der Ereignisse übereinstimmt. Durch Modellsimulation entdeckten die Forschenden zusätzlich einen alternativen Mechanismus der Erinnerung von Reihenfolgen, der aus einem zeitlich-dynamischen Zusammenspiel der Bildpräsentationen, ablaufenden Hirnschwingungen und Signalen von einzelnen Zellen entsteht.
Visuelle Verarbeitung im Mittelhirn
Neurowissenschaftler:innen der Charité - Universitätsmedizin Berlin und des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz zeigen erstmals, wie sensorische Nervenzellen in der Netzhaut präzise mit Nervenzellen der Colliculi superiores, einer Struktur im Mittelhirn, verbunden sind. Sie fanden heraus, dass die räumliche Anordnung der Retina quasi eins zu eins in den Strukturen des Mittelhirns übernommen wird und dass die Neurone im Mittelhirn einen sehr starken und spezifischen synaptischen Eingang von den retinalen Ganglienzellen erhalten, allerdings nur von ein paar wenigen dieser sensorischen Nervenzellen.
Die innere Uhr: Circadiane Rhythmen
Von dieser inneren Uhr hängen nicht nur der Schlaf-Wach-Rhythmus und die Anpassungen an die Jahreszeit ab, sondern auch Lernen und Gedächtnis, sowie fast alle physiologischen Tagesrhythmen wie die Schwankungen des Blutdrucks, des Herzschlages, von Hormonspiegeln, der Atemfrequenz und sogar der Blutgerinnung. Tatsächlich gibt es nicht die eine innere Uhr. Stattdessen herrscht ein hochkomplexes, hierarchisches System von miteinander verbundenen Zeitgebern, Taktgebern und Korrekturmechanismen über unsere Zeit. Es besteht aus spezifischen Regionen des Nervensystems, aus spezialisierten Zellen, Hormonen, Botenstoffen, Proteinen und Nukleinsäuren. Letztlich hat sogar jede einzelne Zelle ihre eigene innere Uhr.
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Der Nucleus suprachiasmaticus (SCN)
Erstaunlich klein ist die oberste Zeitgeberinstanz des Nervensystems: Der beidseitig angelegte Hirnkern Nucleus suprachiasmaticus (SCN) ist Teil des Hypothalamus und liegt oberhalb der Kreuzung der Sehnerven. Er enthält nur etwa 50.000 Neuronen - also weniger als drei Millionstel der Gesamtzahl unserer 65 Milliarden Nervenzellen. Darunter befinden sich auch die circadianen Schrittmacher-Neuronen. Kennzeichnend sind starke Schwankungen zwischen Tag und Nacht bei der Häufigkeit ihrer spontanen Entladungen. Die Schrittmacher-Neuronen im SCN sind nicht nur notwendig, sondern tatsächlich auch ausreichend, um den circadianen Rhythmus anzutreiben. Außerdem wirken sie Abweichungen vom 24-stündigen Tag-Nacht-Rhythmus entgegen und koppeln unsere Tätigkeiten an die sich drehende Erde.
Licht und die innere Uhr
Wenig überraschend spielt das Auge dabei eine entscheidende Rolle. Dort sitzen in der Netzhaut zwischen Zapfen und Stäbchen die spezialisierten Ganglionzellen (RGCs), die neben Zapfen und Stäbchen quasi eine dritte Klasse retinaler Photorezeptoren bilden. Sie sind mit dem Photopigment Melanopsin ausgestattet, und können damit einfallendes Licht registrieren. Die Fasern der RGC laufen dann zum SCN und in andere Hirnregionen - einschließlich solcher, die die Stimmung regulieren.
Von der Natur nicht vorgesehen war allerdings die Erfindung des Kunstlichtes durch den Menschen und insbesondere von Handys, Tablets und ähnlichen Geräten. Diese strahlen - ähnlich dem normalen Tageslicht - reichlich blaues Licht ab, auf das Melanopsin empfindlich reagiert. Das Problem: Abends ist die innere Uhr besonders empfindlich für Lichteffekte. Gehen die elektrischen Geräte abends nicht aus, besteht das Risiko einer Verzögerung der inneren Uhr und es erhöht sich die Gefahr von Schlafstörungen.
Molekulare Mechanismen der circadianen Uhr
Molekularbiologen stellten fest, dass auch im Inneren der meisten Zellen unseres Körpers ein annähernd 24-stündiger Zyklus abläuft. Erreicht wird die Periodizität durch das Prinzip der negativen Rückkoppelung: Ein „Uhren-Gen“, („clock“) wird von der Maschinerie der Zellen abgelesen und aus dieser Information eine Boten-RNA (mRNA) erstellt, die wiederum in ein spezifisches Protein übersetzt wird. Dieses CLOCK-Protein aktiviert tagsüber ein weiteres Uhren-Gen namens „per“ (für Periode). Über die entsprechende per-mRNA wird so PER-Protein synthetisiert. Zusammen mit anderen gewebespezifischen Proteinen bildet das Eiweißmolekül PER einen Komplex, der das CLOCK_Protein bindet und es damit blockiert. Die Folge ist, dass keine neue per-mRNA mehr gebildet wird, das verbleibende PER-Eiweiß allmählich zerfällt und dadurch auch die Blockade des CLOCK-Proteins wieder gelöst wird. Damit beginnt der Zyklus von vorne.
Unabhängigkeit und Synchronisation der zellulären Uhren
Als oberste Kontrollinstanz, der die zeitlichen Abläufe der Körperfunktionen regelt, fungiert zwar der SCN. Die meisten Organe und Gewebe können jedoch Dank des clock/per-Systems auch alleine ihren Rhythmus bewahren, wie man an isolierten Zellen der Leber, Lunge oder Niere in Kulturschalen beobachten kann. Dass viele innere Organe, aber auch Muskeln, Fettgewebe und Blutgefäße eine gewisse Unabhängigkeit vom SCN haben, ist durchaus sinnvoll. So können sie sich dank eigener molekularer Uhren besser auf die wechselnden Umwelteinflüsse im Verlauf des Tages einstellen. Vom SCN aus werden diese Oszillationen falls nötig nachjustiert, damit sie einen 24-Stunden-Rhythmus beibehalten.
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Praktische Anwendungen der Chronobiologie
Die Chronobiologie hat auch praktische Anwendungen, beispielsweise bei der zeitgesteuerten Medikamentengabe (Chronotherapie). Francis Levi schlug bereits in den 1990er Jahren vor, Medikamente gezielt zu bestimmten Tageszeiten zu verabreichen, um ihre Wirksamkeit zu erhöhen und Nebenwirkungen zu reduzieren. Obwohl sich die Chronotherapie in der klinischen Praxis noch nicht flächendeckend durchgesetzt hat, gibt es Hinweise darauf, dass sie bei bestimmten Erkrankungen, wie z.B. Krebs, von Vorteil sein kann.
Mengenwahrnehmung und Subitizing
Wenn vor uns zwei, drei oder vier Äpfel liegen, erkennen wir ihre Anzahl sehr rasch. Sind es dagegen fünf oder mehr, benötigen wir deutlich länger und liegen häufiger daneben. Tatsächlich erfasst das Gehirn kleine Mengen wohl anders als große. Das belegt eine aktuelle Studie der Universität Tübingen und des Universitätsklinikums Bonn.
Manche Forscher vermuten, dass es im Gehirn zwei unterschiedliche Verarbeitung-Mechanismen gibt - einen präzisen für kleine Mengen (Subitizing) und einen Schätz-Mechanismus für große. Die aktuelle Studie liefert nun allerdings tatsächlich einen Hinweis darauf, dass wir kleine und große Mengen unterschiedlich verarbeiten.
Schon vor einigen Jahren konnten die beteiligten Arbeitsgruppen zeigen, dass es im Gehirn Nervenzellen gibt, die für bestimmte Anzahlen zuständig sind. Manche Neurone feuern zum Beispiel vor allem bei Zweiermengen, andere bei Vierermengen und wieder andere bei Mengen von sieben Elementen. Interessanterweise scheint sich der „Numerical Distance Effect“ beim Menschen aber nur bei höheren Anzahlen auszuwirken.