Ein neuronales Netzwerk aus zwei Nervenzelle in der Petrischale

Die Aufregung im Zaum halten

Mithilfe hochentwickelter Technologien überwacht das Labor von MDC-Forscher James Poulet die Aktivität einzelner sensorischer Nervenzellen in ihren Netzwerken im Gehirn. Das Team verfolgte hunderte Kommunikationsverläufe und entdeckte so, wie es einem einzigen Signal einer einzelnen Zelle gelingt, Aufmerksamkeit zu erregen.

Wenn wir wach sind, flutet eine unglaubliche Menge Sinneseindrücke das Gehirn. Dort werden sie gefiltert, um wichtige Signale vom sonstigen „Lärm“ zu unterscheiden. Wesentliche Schritte dieser Informationsverarbeitung finden im Neocortex statt, dessen schichtartige Struktur mit sechs übereinander gestapelten Computerservern vergleichbar ist. Überall im Körper registrieren sensorische Nerven Informationen und übermitteln sie entlang ihrer drahtähnlichen Axone an spezifische Schichten dieser Struktur. Im Innern des Neocortex springen sie auf andere Nervenzellen über. Ist das Signal stark genug, erzeugen sie ein Aktionspotential und übermitteln es. Diese elektrochemische Ladung rast die Axone entlang in andere Schichten des Cortex und wird schließlich in weitere Regionen des Gehirns übertragen.

Auf seinem Weg kann das Signal von erregenden Neuronen – beispielsweise Pyramidenzellen (PYR) – verstärkt oder von hemmenden Neuronen – wie SST- oder PV-Zellen – gedämpft werden. Letzteres verhindert, dass sich ein Signal ausbreitet, bis es das System überlädt – was etwa bei Fällen von Epilepsie beobachtet werden kann. Merkwürdigerweise feuern viele erregende Pyramidenzellen unregelmäßig, in vereinzelten Aktivitätsausbrüchen. Die Gruppe von Dr. James Poulet am MDC hat nun herausgefunden, wie es diesen ruhigen Nervenzellen gelingt, sich Gehör zu verschaffen. Ihre Arbeit erscheint in der aktuellen Ausgabe von Nature Communications.

Input- und Output-Messungen der Gesamtzelle

Feine und doch wichtige Stimuli filtert der somatosensorische Cortex aus dem allgemeinen „Lärm“ im Gehirn heraus. Das Team um Poulet hat gezeigt, dass Pyramidenzellen einzelne Signale erzeugen, die PV-Interneurone aktivieren. Diese wiederum stimulieren und hemmen andere Neurone, darunter die Pyramidenzellen, die den Prozess angestoßen haben.

Um die Effekte einzelner durch PYR-Zellen verursachter „Spikes“ zu untersuchen, war es erforderlich, ihre Aktivitäten ebenso wie jene benachbarter PV und SST-Neuronen gewissermaßen zu „belauschen“. Sie lassen sich zwar anhand der Moleküle unterscheiden, die sie produzieren. Die Forscherinnen und Forscher hatten bisher jedoch kein Gesamtbild davon, wie sie miteinander interagieren, wenn sich die Signale durch den sensorischen Kortex bewegen.

„Messungen an der gesamten Zelle sind eine fortschrittliche Methode, die man bei lebenden Tieren wie genetisch veränderten Mäuse anwenden kann“, sagt Dr. Jean-Sebastian Jouanneau, Postdoktorand in Poulets Gruppe und einer der Erstautoren. „Wir können sie nun bei spezifischen Nervenzellen nutzen, die wir zuvor optisch identifiziert haben. Diese einzigartige Herangehensweise ermöglicht es uns, einzelne Nervenzellen zu reizen und jene winzigen Schwankungen ihrer elektrischen Aktivität zu überwachen, die die Aktionspotentiale hervorrufen. Indem wir sie eine nach der anderen reizen und das Netzwerk „belauschen“, können wir überprüfen, ob die Zellen miteinander verbunden sind und den Effekt des Signals feststellen.“

Die Forscher haben das hunderte Male getan und mit der gleichzeitigen Überwachung von jeweils vier Nervenzellen in jedem Experiment einen Rekord gebrochen. Dr. Jens Kremkow, ehemaliges Mitglied der Forschungsgruppe und ebenfalls einer der Autoren, ermöglichte durch eine groß angelegte Analyse das Zusammenführen aller Daten.

Eine ruhige Stimme, durch die alles noch ruhiger wird

Die Analyse brachte einige überraschende Ergebnisse. Ein einziger „Spike“ durch eine PYR-Zelle rief keine Aktivität in den anderen PYR-Zellen oder den SST-Neuronen hervor, mit denen sie verbunden war. Völlig anders verhielt es sich bei den PV-Neuronen: Das einmalige Signal der PYR-Zelle ließ das PV-Neuron feuern – eine erstaunlich effiziente Reaktion.

Die Auswirkungen dieser Übertragung waren ebenso erstaunlich: „Das Signal, das die PV-Zelle produzierte, nachdem sie von der PYR-Zelle gereizt worden war, wurde an ihre Zielneuronen weitergeleitet und verhinderte, dass sie selbst Aktionspotentiale erzeugten“, sagt Poulet, der auch Mitglied des Exzellenzclusters Neurocure an der Charité ist. „Zu den Zielen gehörten PYR-Zellen – eben jene Art Zellen, von denen der Reiz ausgegangen war! Die Folge: Eine Situation, in der ein einziges Signal sämtliche Nachbarn zum Schweigen bringt.“

Es erinnert ein wenig an einen Seminarraum, in dem die Studierenden schwatzen und ihre Papiere hin und her schieben. Wenn ein Professor oder eine Professorin den Raum betritt und mit lauter Stimme zu sprechen beginnt, sprechen die Studis oft ebenfalls lauter, damit sie sich selbst weiterhin hören können. Wenn die Person aber sehr leise spricht, werden sie normalerweise rasch stiller und signalisieren vielleicht sogar ihren Nachbarn, ruhig zu sein – um zu hören, was gesagt wird.

„Diese Art der Signalhemmung kannten wir zwar bereits, nicht jedoch als Antwort auf einen einzigen Spike“, sagt Poulet. „Um diesen Effekt zu beobachten, war es notwendig, das Signal in einem intakten und aktiven Netzwerk zu untersuchen. Möglicherweise handelt es sich um einen Mechanismus, der dem Gehirn hilft, feine und doch wichtige Stimuli herauszufiltern, damit sie nicht im allgemeinen „Lärm“ untergehen.“

Literatur

Jean-Sébastien Jouhanneau et al (2018): “Single synaptic inputs drive high-precision action potentials in parvalbumin expressing GABA-ergic cortical neurons in vivo”, Nature Communications. doi:10.1038/s41467-018-03995-2

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