Wie entstehen die langsame Gehirnwellen im Schlaf? Für ihre Versuche haben die Wissenschaftler lichtsensitive Moleküle in spezifische Neuronen (grün im Bild) eingebracht, die auf Licht reagieren.
Wie entstehen die langsame Gehirnwellen im Schlaf? Für ihre Versuche haben die Wissenschaftler lichtsensitive Moleküle in spezifische Neuronen (grün im Bild) eingebracht, die auf Licht reagieren. Bild: A. Konnerth, A. Stroh/TUM
  • Forschung

Neue Einblicke in grundlegende neuronale MechanismenFaszinierender Rhythmus: „langsame Wellen“ im Gehirn

Neue Forschungsergebnisse zeigen, wo und wie „langsame Wellen“ im Gehirn entstehen. Diese rhythmischen Signalimpulse, die das Gehirn während des Tiefschlafs einmal pro Sekunde durchlaufen, spielen vermutlich eine wichtige Rolle bei der Ausbildung des Gedächtnisses. Forscher konnten erstmals schlüssig nachweisen, dass langsame Wellen vom Kortex ausgehen – jenem Bereich des Gehirns, der für kognitive Funktionen verantwortlich ist. Sie fanden auch heraus, dass diese Wellen von einer sehr kleinen Anzahl von Neuronen in Gang gesetzt werden können. 

„Das Gehirn ist wie eine Rhythmusmaschine, die permanent unterschiedliche Rhythmen produziert“, erläutert Prof. Arthur Konnerth von der Technischen Universität München (TUM). „Das sind Taktgeber, die dazu beitragen, die verschiedenen Bereiche des Gehirns im Gleichklang zu halten.“ Einer dieser Taktgeber produziert die sogenannten „langsamen Schlafwellen“, die – so wird angenommen – daran beteiligt sind, das Erlebte des Tages in das Langzeitgedächtnis zu überführen. Man kann diese Wellen bereits in sehr frühen Phasen der Entwicklung beobachten, und sie können bei Erkrankungen wie etwa Alzheimer gestört sein. 

In früheren Studien, die meist mit elektrischen Messungen durchgeführt wurden, konnte man den genauen Ursprung und die Ausbreitung dieser langsamen Wellen räumlich nicht genau lokalisieren. Nun ist es der Münchner Arbeitsgruppe um Prof. Konnerth in Kollaboration mit Forschern der Universitäten Stanford und Mainz gelungen, diese langsamen Wellen mithilfe von Licht in noch nie da gewesener Genauigkeit zu stimulieren und zu beobachten. Eine der zentralen Erkenntnisse ist, dass langsame Wellen ihren Ursprung allein im Kortex haben, womit andere langjährige Hypothesen widerlegt wurden. „Die zweite wichtige Beobachtung“, so Konnerth, „ist, dass innerhalb der vielen Milliarden Gehirnzellen lediglich ein lokales Cluster von gerade einmal 50 bis 100 Neuronen im Inneren des Kortex in einer Schicht, die man Layer 5 nennt, ausreicht, um eine Welle zu erzeugen, die sich im gesamten Gehirn ausbreitet.“ 

Neue Einblicke in grundlegende neuronale Mechanismen

Trotz beachtlicher Forschungsaktivitäten in diesem Bereich blieben wichtige Fragen zum Ursprung und Enstehungsmechanismus der langsamen Wellen bisher offen: Wo liegt das Schrittmacherzentrum für diesen Rhythmus? Wo starten diese Wellen, und wo enden sie? Die hier beschriebene Studie, die mit optischen Messungen an intakten Gehirnen lebender Mäuse unter Narkose durchgeführt wurde, bildet nun die Basis für ein detailliertes und umfassendes Bild.

„Wir haben einen optogenetischen Ansatz mit optischen Nachweismethoden für neuronale Aktivität kombiniert, um die ursächlichen Mechanismen dieser langsamen Oszillationen zu untersuchen, die im Schlaf den dominierenden Netzwerkrhythmus darstellen“, erklärt Prof. Albrecht Stroh von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Die optogenetische Stimulation ist eine neue Technik, die das Einbringen lichtsensitiver Kanäle in spezifische Neuronen beinhaltet, sodass diese durch Licht stimuliert werden können. Damit kann räumlich begrenzt eine geringe, definierte Anzahl von Neuronen im Kortex oder Thalamus selektiv stimuliert werden. 

Der Zugang zum Gehirn mithilfe von optischen Fasern erlaubte eine direkte Stimulation von Neuronen bei gleichzeitiger Aufnahme ihrer Aktivität. Zusätzlich wurden die Mäuse mit Lichtblitzen am Auge stimuliert, um Neuronen im visuellen Kortex anzuregen. Dabei konnten die Forscher über die optische Messung des Einstroms von Kalziumionen als räumlich präzisem Messparameter für die neuronale Aktivität langsame Wellen sichtbar machen. Sie verglichen diese optischen Messungen auch mit konventionellen elektrischen Messungen. Damit konnten sie die Ausbreitung einzelner Wellenfronten beobachten, die sich vom Kortex aus in andere Gehirnareale ausbreiteten – wie die Wellen auf einer glatten Wasseroberfläche nach einem Steinwurf.

Dabei entstand ein komplett neues Bild: Ein sehr kleines Cluster von Neuronen ist in der Lage, eine langsame Welle auszulösen, die sich weit und großflächig ausbreitet und wohl typischerweise verschiedene Regionen des Gehirns zu einem Gesamtereignis vereint. „Unter natürlichen Bedingungen“, erläutert Konnerth, „so wie es bei Ihnen und mir jede Nacht während der Tiefschlafphasen passiert, kann jeder Bereich des Kortex als Ausgangspunkt einer Welle fungieren.“ Beim Rhythmus dieser langsamen Wellen kann man zudem ein überraschend einfachen Mechanismus beobachten: In jedem etwa einsekündigen Zyklus entsteht in einem einzelnen Cluster von Neuronen eine Welle, diese unterdrückt damit kurzzeitig alle anderen Signale benachbarter Regionen, so als ob das Gehirn abwechselnd mit einzelnen Fragmenten von Erfahrungen oder Gelerntem durchspült wird. Aus diesen einzelnen Bausteinen könnte das Gedächtnis aufgebaut werden. Die Forscher betrachten diese Erkenntnisse als Schritt zu einem besseren Verständnis, wie Lernen und die Ausbildung von Gedächtnis funktionieren – ein Thema, das die Arbeitsgruppe um Prof. Konnerth mit Unterstützung des Europäischen Forschungsrates untersucht. Dabei wird auch genauer erforscht, wie sich langsame Wellen bei verschiedenen Krankheitsbildern verhalten.

Diese Arbeiten wurden unterstützt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) über ein Internationales Graduiertenkolleg (IRTG), das TUM Institute for Advanced Study, das Exzellenzcluster SyNergy (Munich Cluster for Systems Neurology), die Friedrich Schiedel-Stiftung und die Europäische Kommission (Projekt Corticonic im 7. Forschungsrahmenprogramm). 

Originalpublikation:

Making Waves: Initiation and Propagation of Corticothalamic Ca2+ Waves In Vivo; Albrecht Stroh, Helmuth Adelsberger, Alexander Groh, Charlotta Rühlmann, Sebastian Fischer, Anja Schierloh, Karl Deisseroth, and Arthur Konnerth;Neuron 77, 1136-1150, March 20, 2013, DOI: dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2013.01.031

 

Kontakt:
Prof. Arthur Konnerth
Technische Universität München
Institut für Neurowissenschaften
T: +49.89.4140-3351
E: arthur.konnerth(at)lrz.tu-muenchen.de
W: http://www.ifn.me.tum.de/new/

 

Technische Universität München

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