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Signalverarbeitung im Gehirn - Arbeitsteilung bei den Interneuronen des Hippocampus

Das detaillierte Studium neuronaler Verschaltungen in einer Region innerhalb das Schläfenlappens im Großhirn offenbart ein hochkomplexes, fein austariertes Regelsystem, über das spezialisierte Zellen die Aktivität anderer Neuronen steuern.


"Das unergründliche Geheimnis der Organisation des Gehirns zog uns unwiderstehlich an", resümierte der spanische Anatom und Neurohistologe Santiago Ramón y Cajal (1852 bis 1934) seine Pionierleistungen. "Wir sahen, daß eine genaue Kenntnis der Hirnstrukturen von höchstem Interesse für die Fundierung einer rationalen Psychologie war. Das Gehirn zu kennen ist gleichbedeutend damit, die materielle Bahn von Denken und Wollen zu finden."

Mit Hilfe der Silberimprägnierung, die der italienische Zytologe Camillo Golgi (1843 bis 1926) entwickelt hatte, gelang es Ramón y Cajal Ende des letzten Jahrhunderts, in Gehirnschnitten unter dem Mikroskop einzelne Nervenzellen zu erkennen. Die beiden Forscher erhielten 1906 gemeinsam den Medizin-Nobelpreis. Der Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion mußte damals allerdings verborgen bleiben, und selbst heute ist man von einer rationalen Psychologie im Sinne Cajals noch weit entfernt. Das menschliche Gehirn ist schließlich das komplizierteste bekannte System im Universum: In durchschnittlich 1,3 Kilogramm Masse enthält es einige 100 Milliarden Nervenzellen mehr als die Milchstraße Sterne; hinzu kommen noch etliche Billionen Gliazellen, welche die Neuronen ernähren und ihre Funktion zum Beispiel bei der Erregungsleitung unterstützen.

Auch die Gesamtlänge der vielfach verzweigten Nervenfasern – der Dendriten und Axone, welche die Signale einfangen, bündeln und zu anderen Neuronen weiterleiten – liegt mit 750 000 Kilometern (der doppelten Entfernung zum Mond) in einer astronomischen Größenordnung. Jede Nervenzelle ist über 1000 bis 10000 Kontaktstellen (Synapsen) mit vielen anderen verknüpft. Die elektrischen Signale werden hier in chemische übersetzt, indem sie die Ausschüttung spezifischer Botenstoffe (Transmitter) auslösen. Diese diffundieren zur Membran der nachgeschalteten Zelle und docken dort an passende Rezeptoren an, die daraufhin bestimmte Ionenkanäle öffnen, so daß sich das elektrische Potential dieser Zelle ändert. Dies hat je nach Synapsentyp einen erregenden oder hemmenden Einfluß. Wenn nach der Integration der positiven und negativen Effekte ein bestimmter Schwellenwert überschritten wird, gibt das betreffende Neuron seinerseits einen Impuls ab.

Über die bloße Alles-oder-nichts-Verschaltung erregender oder hemmender Elemente hinaus spielen allerdings viele andere Aspekte eine Rolle: die unterschiedlichen Transmitter (von denen ungefähr 50 bekannt sind) und Rezeptoren in den Synapsen, der modulierbare Transmitter-Ausstoß, zurückdiffundierende Botenstoffe, die räumliche Verteilung der Kontaktstellen, die Erhöhung oder Verminderung ihrer Anzahl oder Fläche und anderes mehr.

Auf wie vielfältige, hochkomplizierte Weise das Feuern einer Nervenzelle kontrolliert wird, machte jetzt eine aufwendige Untersuchung der Verschaltung sogenannter Interneuronen im Hippocampus von Ratten deutlich. Der Hippocampus ist eine stammesgeschichtlich sehr alte Struktur innerhalb des Schläfenlappens im Großhirn, die verschiedene sensorische Informationen integriert und maßgeblich an der Gedächtnisbildung beteiligt ist; er speichert (zumindest vorübergehend) auch selbst bestimmte Informationen. Die Langzeitpotenzierung eine erhöhte Erregbarkeit und Übertragungsfähigkeit von Synapsen, die als paradigmatisches Modell für die molekulare Gedächtnisspur gilt – wird gerade an ihm besonders intensiv studiert (Spektrum der Wissenschaft, Oktober 1993, Seite 28).

Grob betrachtet gibt es im Hippocampus, wie auch sonst in der grauen Substanz der Großhirnrinde, zwei Klassen von Neuronen. Die Hauptzellen, zu denen Stern-, Körner- und insbesondere Pyramidenzellen gehören, haben Nervenfasern, die oft in weit entfernte Hirnregionen ziehen und dort erregende Signale abgeben. Dagegen bilden die Interneuronen nur lokale Verknüpfungen und hemmen mit ihren Impulsen die nachgeschalteten Neuronen. Als Transmitter benutzen sie Gamma-Aminobuttersäure (GABA), die sich an spezifische GABA-Rezeptoren der Hauptzellen bindet und über den dadurch ausgelösten Einstrom von negativ geladenen Chlorid-Ionen deren elektrisches Potential erniedrigt.

Eberhard H. Buhl, Katalin Halasy und Peter Somogyi von der Universität Oxford (England) untersuchten nun vor kurzem sowohl elektronenmikroskopisch als auch mittels detaillierter elektrischer Ableitungen sowohl der Interneuronen als auch der jeweils nachgeschalteten Hauptzellen die Kontakte zwischen beiden. Dabei fanden sie drei klar unterscheidbare Verknüpfungsmuster, die sie dazu veranlaßten, zusätzlich zu den bereits beschriebenen zwei Arten von Interneuronen eine dritte zu postulieren (Bild; "Nature", Band 368, Seite 823).

Die lange bekannten Korbzellen bilden Synapsen sowohl mit den Dendriten als auch mit den Zellkörpern der Pyramidenzellen, die jeweils von rund zwei Dutzend verschiedenen Interneuronen über sechs bis zwölf Synapsen innerviert werden. Weil jedes Interneuron mit Hunderten von Pyramidenzellen verbunden ist, ergibt sich ein hochkompliziertes Verschaltungsmuster, mit dem die Aktivität ganzer Zellverbände wirkungsvoll synchronisiert werden kann.

Dagegen schicken die axo-axonischen Interneuronen ihre Fasern ausschließlich zu den sogenannten Axonhügeln der Körnerzellen, also zum Beginn ihrer ableitenden Nervenfortsätze. Weil dort die neuen Aktionspotentiale entstehen, kann deren Ausbildung besonders gut unterdrückt werden.

Der von Buhl, Halasy und Somogyi beschriebene dritte Typ von Interneuronen schließlich knüpft sowohl an die basalen (direkt am Zellkörper ansetzenden) als auch an die apikalen (sich stark verzweigenden) Dendriten der Pyramidenzellen an und erhielt daher die Bezeichnung bistratified. Dadurch lassen sich lokal die erregenden Eingangssignale der nachgeschalteten Hauptzellen besonders effizient modifizieren. Dies dürfte maßgeblich dazu beitragen, die Verstärkung von erregenden Synapsen auf Pyramidenzellen zu regulieren, die der Langzeitpotenzierung und somit der Gedächtnisbildung zugrunde liegt.

Diese Ergebnisse demonstrieren also eine hochgradige Arbeitsteilung zwischen den verschiedenen Typen von Interneuronen. Deren funktionelle Eigenständigkeit ist ein starkes Indiz dafür, daß sie unabhängig voneinander gesteuert werden. Dies scheint einerseits über die unterschiedliche Herkunft der Impulse zu geschehen, von denen sie aktiviert werden; andererseits dürften ihre Dendriten aber auch auf verschiedene Transmitter ansprechen, das heißt verschiedene Rezeptoren beziehungsweise unterschiedliche Mischungsverhältnisse von Rezeptoren tragen. Dies muß erst noch geklärt werden.

Wie etliche Untersuchungen der letzten Zeit ergaben, findet auch in den Dendriten schon eine komplizierte Vorverarbeitung der einlaufenden Signale statt ("Trends in Neuroscience", Band 17, Seiten 166 und 257). So werden sie hier bereits räumlich und zeitlich integriert, wobei insbesondere spannungsabhängige Calcium-Kanäle für zellspezifische elektrochemische Ausbreitungsmuster der Impulse sorgen. Außerdem beeinflußt die Geometrie der Dendriten die Erregungsweiterleitung in charakteristischer Weise, indem sie zum Beispiel das Verhältnis zwischen Signal und Rauschen verbessert oder ähnlich einem Tiefpaß in der Elektrotechnik als Frequenz-Filter wirkt.

In der arbeitsteiligen Verschaltung der Interneuronen und ihrer kontrollierenden Funktion scheinen einige der komplexen Verrechnungsleistungen des Hippocampus begründet zu sein. Nur auf diese Weise kann ein fein austariertes Gleichgewicht hemmender und erregender Aktivitäten aufrechterhalten werden. Sowohl ein Übermaß an Erregung als auch zu wenig Hemmung würden unkontrollierte Entladungen zur Folge haben, die sich – gerade im Schläfenlappen – beim Menschen als epileptische Krämpfe äußern können.

Um einer "rationalen Psychologie" näherzukommen, wie sie Cajal vorschwebte, muß es allerdings gelingen, die neuronale Verarbeitung mit dem Verhalten in Beziehung zu setzen. Auch in dieser Richtung gibt es immerhin einige Fortschritte. So konnten jetzt erstmals die Aktivitäten einer großen Anzahl von Nervenzellen im Hippocampus einschließlich Interneuronen über längere Zeit hinweg beim lebenden Tier abgeleitet werden ("Science", Band 261, Seite 1055). Vielleicht also läßt sich schon bald ein Zusammenhang zwischen dem koordinierten Feuern bestimmter Nervenzellen und spezifischen Verhaltensweisen aufdecken.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1995, Seite 28
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 1995

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 1995

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