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Suche im Nervennetz

Global denken, lokal handeln – das gilt auch im Gehirn. Einzelne Nervenzellen können ihren Beitrag zum komplexen Verhalten nur dann leisten, wenn sie zunächst in lokalen Netzwerken Mitstreiter finden.

Grafik: MW


Etwa 86 Milliarden Nervenzellen spielen im menschlichen Nervensystem mit – mehr als zehnmal so viele, wie Menschen auf der Erde leben. Und im Gegensatz zu den 342 Freunden des durchschnittlichen Facebook-Nutzers bringt es jedes Neuron im Gehirn im Schnitt auf über 1000 Verknüpfungen in seinem sozialen Netzwerk. Wie sich aus diesen Billionen Funkstellen im Gehirn menschliches Verhalten, Denken und Fühlen ergibt, bleibt eine der Schlüsselfragen der Neurowissenschaften.

Zwar können Forscher inzwischen dank funktioneller bildgebender Verfahren den Gehirnwindungen quasi live bei der Arbeit zusehen, mithilfe immer leistungsfähiger und raffinierterer Mikroskopier- und Ableittechniken bis ins Innerste von Neuronen vorstoßen und in Supercomputern gigantische molekulare Datensätze zu neuronalen Genaktivitätsprofilen zusammenpuzzeln. Doch wie komplexe Informationen auf den verschiedenen Ebenen der Gehirnorganisation entstehen und zwischen ihnen fließen, erklärt sich dadurch noch nicht.

Netzwerk-Konzepte können viel erklären

Auf der Suche nach Antworten auf die Frage, wie aus Genen, Molekülen und Elektrizität eine bestimmte Information produziert und letztendlich eine Verhaltensantwort generiert wird, spielen lokale Netzwerke eine Schlüsselrolle. Information kann im Prinzip auf vielen Ebenen kodiert sein – in Mustern von Genaktivitäten einer Zelle, in der Dosierung von Botenstoffen wie etwa Neurotransmittern, in elektrischen Signalfrequenzen, in der Zahl von Verbindungen zwischen Neuronen oder in der Aktivität von neuronalen Netzwerken innerhalb und zwischen Hirnregionen. Bisweilen reicht schon eine Zelle mit ihrer Aktivität, um komplexe Informationen wie zum Beispiel das Gesicht einer bekannten Schauspielerin abzuspeichern Star-Wars-Neurone und Jenifer-Aniston-Zellen.

Doch in den meisten Fällen ermöglicht erst das Markenzeichen der Nervenzellen, ihre kommunikative Natur, die Kodierung elementarer Informationen. Durch das Zusammenspiel der Neurone in lokalen Netzwerken scheint unser Gehirn zu Höchstleistungen fähig. Indem funktionell verknüpfte Neurone ihre Aktivität in Raum und Zeit koordinieren, schaffen sie den entscheidenden Brückenschlag zwischen den Organisationsebenen des Gehirns. Das ist zumindest die Idee Netzwerke im Tanz von Genen und Umwelt.

Lokale Verbünde, da sind sich viele Forscher inzwischen einig, sind eine entscheidende Zwischenebene zwischen Nervenzelle und komplexer Hirnfunktion. In Deutschland gibt es einen Sonderforschungsbereich (SFB 1134), der sich mit derartigen „Funktionellen Ensembles" befasst. Damit meinen die Forscher Gruppen von Zellen, die innerhalb eines definierten Zeitraums gemeinsam aktiv werden. Wie die Posen eines Cheerleader-Teams kann die Choreographie des Ensembles in ihrem Aktivitätsmuster konkrete Inhalte festhalten – zum Beispiel ein Gesicht oder einen bekannten Ort.

Das Wichtigste in Kürze

  • Netzwerke sind ein wichtiges Organisationsprinzip im Gehirn. Sie ermöglichen die Entstehung komplexer Muster durch koordinierte Aktivität von Nervenzellen.
  • Eine besondere Rolle kommt dabei so genannten funktionellen Ensembles zu, kleinen nachbarschaftlich organisierten Gruppen. In ihrem raumzeitlich abgestimmten Konzert vermuten Forscher die entscheidende Brücke zwischen der Zellebene und der systematischen Repräsentation von Gehirninhalten.
  • Funktionelle Ensembles können zum Beispiel mentale Landkarten kodieren oder Kontraste beim Sehen schärfen. Auch in Belohnungssystem und bei höheren cortikalen Funktionen wie der Handlungsplanung spielen Ensembles eine Rolle.
  • Bei funktionellen Ensembles werden die beteiligten Zellen verlässlich auch in unterschiedlichen Situationen mit klar definierten Rollen aktiv, während unbeteiligte Nachbarn stumm bleiben. Sie können aber auch flexibel auf Umweltveränderungen reagieren, indem sie ihr Aktivitätsmuster oder die Rekrutierung von Mitgliedern anpassen.

Netze, Netze überall

Die Erforschung von Netzwerken hält auch jenseits des Gehirns Wissenschaftler in Brot und Lohn. Ähnliche Prinzipien herrschen überall dort, wo es gilt, viele Mitspieler in komplexen Interaktionsmustern zu verstehen. Die Spannbreite reicht von biochemischen Systemen und Computernetzwerken bis hin zu sozialen Systemen und dem Internet.

Der Frage, welche strukturellen und funktionellen Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten solche Netzwerke formen und bestimmen, geht die interdisziplinäre Netzwerkforschung nach. Sie bedient sich dabei insbesondere hartgesottener mathematischer, theoretischer und grafischer Ansätze, die sie mitunter im Bereich der theoretischen Physik verorten.

Als besonders spannend gilt die Untersuchung komplexer Netzwerke, die sich durch so genannte nicht-triviale topologische Eigenschaften auszeichnen. Das bedeutet, dass die Verknüpfungen zwischen ihren Elementen weder ganz regelmäßig noch rein zufällig entstehen, sondern unterschiedlichen Verteilungsmustern folgen, denen jeweils eigene Gesetzmäßigkeiten zugrunde liegen. Zu ihnen zählen beispielsweise bestimmte Hierarchien oder Gemeinschaftsstrukturen.

Mentale Karte dank Ortszellen

Die Idee funktioneller Ensembles regt schon länger die Phantasie an. Immer wieder wurden zahlreiche Indizien für das gemeinsame Agieren kleiner Nervenzellgruppen gefunden, die etwa als „neuronale Cliquen“ gemeinsam eine Erinnerung codieren, oder zusammen so genannte „cortikale Lieder“ erklingen lassen – Von neuronalen Cliquen und cortikalen Liedern. Mit dem Begriff des Ensembles meinen die Forscher des SFB 1134, inzwischen das beste Etikett für Nervenzellen gefunden zu haben, die gemeinsame Sache machen. Sie untersuchen nun, ob und wie diese Gruppen von Neuronen es schaffen, in den raum-zeitlichen Mustern ihrer Aktivität die Grundbausteine für komplexe Hirnfunktionen zu kreieren.

Recht gut untersucht sind etwa die so genannten Orientierungszellen und ihre Netzwerke, die einen Teil des „Navigationssystems“ des Gehirns bilden. Für deren Entdeckung wurden John O’Keefe sowie May-Britt und Edvard Moser im Jahr 2014 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet – Gesucht und gefunden: Orientierungszellen. Es gibt demnach Orts- und Gitterzellen, die in bestimmten Hirnregionen vor allem des Hippocampus funktionelle Ensembles bilden. Die Ortszellen im Hippocampus sind hochspezialisiert. Sie feuern etwa vermehrt, wenn sich ein Versuchstier an einer bestimmten Stelle im Raum aufhält, wobei die einzelnen Neurone bei unterschiedlichen Ortspunkten reagieren: Die neuronale Aktivität bildet eine Art Wegmarke. Ein Ensemble mehrerer Orientierungszellen kodiert hingegen eine mentale Karte der gesamten Gegend, in der das Tier sich gerade bewegt – und speichert diese dann mithilfe eines etwas abgewandelten Aktivitätsmusters als räumliche Erinnerung ab. 

Laterale Hemmung sorgt für Kontraste

Schon ein Lehrbuchklassiker der Ensemble-Arbeit ist die laterale Hemmung, die uns zum Beispiel dabei hilft, die Umwelt kontrastscharf wahrzunehmen. Egal ob beim Sehen (Ball oder Backstein), Tasten oder anderen Sinnen, das Prinzip ist immer das gleiche: Konturen, etwa ein Übergang von Hell zu Dunkel, werden im lokalen neuronalen Netzwerk durch ein spezielles Verschaltungssystem verstärkt, indem sich benachbarte Zellen hemmen, wenn sie dem gleichen Reiz ausgesetzt sind. Belichtete Zellen, die von anderen belichteten Zellen umgeben sind, erfahren demnach stärkere Hemmung als belichtete Zellen, die neben abgedunkelten Zellen sitzen – und umgekehrt. Da die Zellen im Grenzbereich somit weniger gehemmt werden, können gerade sie besonders kräftige Signale für hell oder dunkel weiterleiten. Das Ergebnis ist ein erfolgreich verschärfter Kontrast.

Trotz aller Unterschiede gehen in beiden Beispielen die Muster der Außenwelt den lokalen Zellverbünden buchstäblich ins Netz, indem sie in bestimmten Zellen über einen spezifischen Zeitraum verlässliche, koordinierte Aktivität auslösen. So entsteht auf der neuronalen Ebene ein eigenes Muster, eine Repräsentation der festzuhaltenden Information. 

Gemeinsamkeiten von Ensembles

Weitere Merkmale, die – trotz der vielen Unterschiede – bei allen Ensembles vermutet werden, sind das Ausschalten eines „Hintergrundrauschens“ von Neuronen, die aktuell nicht am aktiven Ensemble teilnehmen; die Aktivierung eines bestimmten Ensemble in unterschiedlichen Situationen  – etwa beim Lernen und dem Abruf eines Gedächtnisinhaltes; die so genannte Plastizität, also die Fähigkeit, bei veränderten Bedingungen der Umwelt oder des internen Zustandes des Gehirns wie zum Beispiel Motivation oder Aufmerksamkeit auch mit einer Anpassung des Netzwerkes zu reagieren – Von neuronalen Cliquen und cortikalen Liedern.

Ob die Übersetzung externer Informationen in geordnete Schwingungen kleiner Zellverbünde den Schlüssel zu einem „neuronalen Code“ darstellt, ist dabei eine spannende Frage – It’s the rhythm. Dabei interessiert die Forscher des SFB 1134 insbesondere, wie sich die Netzwerke bilden, wie einzelne Zellen aufgenommen – oder ausgeschlossen – werden und wie sich die Netzwerke an Veränderungen der Umwelt oder des Verhaltens anpassen – Bildhauern mit dem Erfahrungsmeißel.

Der SFB 1134 vergleicht die Organisation von Ensembles in vier unterschiedlichen Hirnsystemen: dem Netzwerk für Gedächtnisbildung im Hippocampus und enthorinalen Cortex; dem Netzwerk der Sinneswahrnehmung im Riechhirn und im somatosensorischen Cortex; den Motivationsnetzwerken im Belohnungssystem des Mittelhirns; und in Netzwerken im präfrontalen Cortex, wo „höhere“ kognitive Funktionen wie zum Beispiel Abwägungsprozesse und Handlungsplanung verortet sind – Netzwerke unter der Lupe. Aus dem systematischen Vergleich der Organisation und Funktion dieser Netzwerke erwarten sich die Wissenschaftler einerseits Hinweise darauf, wie weit die Gemeinsamkeiten und Anpassungsfähigkeiten derart verschiedener Netzwerke gehen. Andererseits werden die Untersuchungen die molekularen Mechanismen, die den spezifischen Funktionen der Netzwerke zugrunde liegen, helfen aufzuschlüsseln.

Neben diesen grundlegenden Aspekten und bei aller Systematik und Theorie, die nötig sein mögen, um den prinzipiellen Eigenschaften von Netzwerken auf die Spur zu kommen, hoffen die Forscher auch auf Antworten auf einige auf den ersten Blick ungewöhnliche Fragen – etwa ob auch Gliazellen in Ensembles mitmischen, ob Neuronen an mehreren Netzwerken gleichzeitig teilnehmen können, oder welche Rolle der Energiebedarf bei der Funktion von Netzwerken spielt.

Klar ist: Es gibt in Bezug auf Netzwerke noch vieles zu erforschen – auch jenseits des Gehirns (siehe Info-Box). Sie fordern uns zur Mustersuche heraus, weben Brücken und überwältigen mit der Fülle ihrer Knotenpunkte. Wir blicken fasziniert auf die strukturelle Präzision eines Spinnennetzes und gruseln uns wohlig, wenn virale Hypes durch soziale Netzwerke schwappen. Im Vergleich zu dem, was währenddessen in unserem Gehirn vor sich geht, wirken die bereits komplexen Mechanismen hinter diesen natürlichen und künstlichen Netz-Aktivitäten fast banal. Die Chancen stehen also gut, dass auch neuronale Netzwerke noch einige faszinierende Überraschungen parat halten.

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3D-Gehirn
Infos zum Beitrag
Datum:
01.11.2015
Wissenschaftliche Betreuung:
Prof. Dr. Hans-Christian Pape
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