Bereich: Grundlagenforschung Neurowissenschaften und Erkrankungen des Nervensystems

Prof. Massimo Scanziani Zürich		Frédéric Pouille Zürich

Unser Labor hat es sich zum Ziel gesetzt, die Sprache des Gehirns zu verstehen, d.h. den Kode, mit dem das Gehirn Abbildungen der Umwelt erstellt oder mit Hilfe von Verhaltensweisen mit ihr in Wechselwirkung tritt. Diese Kenntnisse könnten es uns in der Zukunft erlauben, unsere Sinnesorgane zu umgehen und unmittelbar mit dem Gehirn zu kommunizieren, zum Beispiel bei der Übertragung von umweltbezogenen Informationen an das Zentralnervensystem mit Hilfe einer Prothese. Da das Gehirn aber ein hochgradig komplexes Netzwerk von über 1012 Neuronen darstellt, lässt sich dieses Ziel nur erreichen, wenn wir zunächst herausfinden, wie Informationen innerhalb kleiner neuronaler Netzwerke abgebildet werden. Zu diesem Zweck haben wir in unseren Experimenten untersucht, bis zu welcher Höchstfrequenz ein kleines Netzwerk diskret eintreffende Informationen zeitlich noch zu unterscheiden vermag (zeitliche Auflösung). Am besten veranschaulichen lassen sich unsere Forschungsergebnisse am Beispiel von Notensequenzen, die auf einem Klavier gespielt werden.

Wird eine Klaviertaste losgelassen, hört der Ton der Note sofort auf, wenn das Klangpedal nicht gedrückt ist. Dieser Mechanismus beruht auf der Wirkung von Dämpfungselementen und wird benötigt, um Überlappungen zwischen den einzelnen Noten einer Sequenz zu verhindern und auf diese Weise die Melodie zu bewahren. Informationen aus unserer Umwelt erreichen das Gehirn in Form einer Sequenz von elektrischen Impulsen, die von den Sinnen übertragen werden. Diese elektrischen Impulse werden von den Neuronen als Erregungsströme (exzitatorische Ströme) wahrgenommen oder "gehört". Aufgrund der langen Dauer dieser Ströme könnte bei einem Neuron ein neuer elektrischer Impuls bereits eintreffen, bevor der vom vorhergehenden elektrischen Impuls erzeugte Erregungsstrom vollständig abgeklungen ist. Dadurch würden zeitlich diskrete Informationen durcheinander gebracht, was sich mit dem Überlappen der Noten einer Musik auf dem Klavier bei dauerhaft gedrücktem Pedal vergleichen liesse. Zur Untersuchung dieser Problemstellung haben wir die elektrische Aktivität kleiner Netzwerke aus lebenden Neuronen aufgezeichnet, wobei die physiologischen Inputs durch elektrische Stimulationen mit unterschiedlichen Frequenzen simuliert wurden. Dabei machten wir die Beobachtung, dass diese kleinen Netzwerke selbst Inputs mit sehr hohen Frequenzen zeitlich zu unterscheiden vermochten, indem sie "Dämpfungselemente" einsetzten, die den Erregungsstrom aktiv abschalteten. Diese Dämpfungsfunktion wird von inhibitorischen Neuronen wahrgenommen, die darauf spezialisiert sind, von anderen Neuronen empfangene Erregungsströme ungefähr 1 Millisekunde nach ihrem Eintreffen auszugleichen. Zu diesem Zweck erzeugen die inhibitorischen Neuronen im zu dämpfenden Neuron einen Strom mit entgegengesetztem Vorzeichen (inhibitorischer Strom). Dank dieser neuronalen Dämpfung können Neuronen ankommende elektrische Impulse mit einer 10- bis 100-fach grösseren zeitlichen Auflösung unterscheiden, als ohne Dämpfung.

Wir sind der Ansicht, dass die Dämpfungswirkung der inhibitorischen Neuronen unter bestimmten Bedingungen vorübergehend reduziert sein kann, was das Überlappen aufeinanderfolgender Erregungsströme erlauben würde, vergleichbar mit einem kurzen Tritt auf das Klavierpedal.

Diese Experimente veranschaulichen demnach, wie die Untersuchung eines kleinen Neuronenschaltkreises fundamentale diskriminatorische Eigenschaften des Gehirns enthüllen kann. Ausserdem zeigen diese Experimente, dass die Art der Informationsverarbeitung nicht nur von den intrinsischen Eigenschaften des Neurons selbst abhängig ist, sondern auch von den charakteristischen Eigenschaften des Netzwerks, in welches das Neuron eingebettet ist.

Offensichtlich stellen diese Untersuchungen nur einen ersten Schritt hin zu einem Verständnis der Sprache des Gehirns dar. Zukünftig wird es wichtig sein herauszufinden, welche Art von Informationen die einzelnen Impulse oder Impulsmuster übertragen, wie diese Informationen gespeichert werden können und wie der Abruf dieser Informationen geschieht. An diesen Themenstellungen arbeiten zur Zeit jeweils mehrere Forschungsgruppen. Wir sind der festen Ansicht, dass diese konzertierten Arbeiten die Arbeitsweise des rätselhaftesten Organs des Menschen enthüllen und uns helfen werden, unsere eigenen Wahrnehmungen zu verstehen.

F. Pouille, M. Scanziani
Enforcement of temporal fidelity in pyramidal cells by somatic feed-forward inhibition
Science 2001, 293: 1159-116

Die Forschungsarbeit
Ein elementares neuronales Netzwerk für das temporäre Dekodieren	10 Kb