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Flexibles Handeln durch Umprogrammieren von Hirnzellen

Forscher beobachteten die Hirnzellen von Mäusen beim Umlernen.
Forscher beobachteten die Hirnzellen von Mäusen beim Umlernen. Frank Brüderli; Universität Zürich

Menschen wie Tiere haben die Fähigkeit, sich immer wieder auf neue Situationen einzustellen. Das Institut für Hirnforschung der Universität Zürich zeigt nun im Mausmodell, welche Nervenzellen im Gehirn hierbei das Kommando haben. Die Studie trägt so zum Verständnis von Entscheidungsprozessen bei gesunden und kranken Menschen bei.

Kein Händeschütteln zur Begrüssung, nur mit Maske in den Zug, in die Armbeuge niesen – die Covid-19-Pandemie zeigt, wie wichtig es für Menschen manchmal ist, gewohnte Verhaltensweisen abzulegen und neue zu erlernen. Und auch Tiere müssen in der Lage sein, sich schnell an veränderte Umweltbedingungen anzupassen.

«Die Grundlage für diese Fähigkeit ist die Plastizität des Gehirns», sagt Fritjof Helmchen, Co-Direktor am Institut für Hirnforschung der Universität Zürich und Leiter des Zentrums für Neurowissenschaften Zürich. «Doch die biologischen Prozesse, die diese erstaunlichen Leistungen ermöglichen, sind noch sehr unvollständig verstanden.» Seinem Team ist nun ein erster Schritt zur Aufklärung gelungen: Eine soeben in der Fachzeitschrift Nature veröffentliche Studie zeigt, dass ein Teil der Grosshirnrinde – der hinter den Augen gelegene sogenannte orbitofrontale Kortex – die Nervenzellen in untergeordneten sensorischen Arealen umprogrammieren kann.

Hirnzellen beim Umlernen beobachten

Für ihre Versuche simulierten die Forscher in Mäusen einen Prozess des Umlernens unter kontrollierten Bedingungen und untersuchten auf Ebene einzelner Nervenzellen, was dabei im Gehirn passiert. Zunächst trainierten sie die Tiere darin, nach einer Berührung der Tasthaare mit grobkörnigem Sandpapier zu schlecken – was zu einer Belohnung mit Zuckerwasser führte. Bei Berührung mit feinkörnigem Sandpapier hingegen durften sie nicht schlecken, sonst löste dies ein unangenehmes Geräusch aus. Hatten die Mäuse dies verstanden, so wurde der Spiess umgedreht: Nun gab es die Belohnung bei feinkörnigem und nicht bei grobkörnigem Sandpapier. Dieses neue, gegenteilige Verhaltensmuster erlernten die Mäuse nach nur kurzer Übung.

Höhere Instanz polt Zellen um

Während dieses Trainings analysierten die Neurowissenschaftler mit Hilfe von molekularbiologischen und bildgebenden Techniken die Funktion einzelner Nervenzellen in den beteiligten Hirnarealen. Es zeigte sich, dass eine Gruppe von Hirnzellen des orbitofrontalen Kortex während des Umlernens besonders aktiv ist. Diese Zellen haben lange Fortsätze, die bis in das Areal der sensorischen Nervenzellen reichen, die bei Mäusen Tastreize verarbeiten. In diesem Areal folgten die Zellen zunächst dem alten Aktivitätsmuster, ein Teil passte sich dann allerdings der neuen Situation an.
Wurden die betreffenden Hirnzellen des orbitofrontalen Kortex gezielt ausgeschaltet, so funktionierte das Umlernen nicht und die Nervenzellen im sensorischen Areal zeigten keine Anpassung ihrer Aktivität.

«Wir konnten also zeigen, dass eine direkte Verbindung vom orbitofrontalen Kortex zu sensorischen Hirnarealen besteht, und dass dort ein Teil der Nervenzellen umgepolt wird», so Helmchen. «Die Plastizität dieser Zellen und die Instruktion durch die höhere Instanz des orbitofrontalen Kortex scheinen für die Flexibilität unseres Verhaltens und die Möglichkeit, sich auf neue Situationen einzustellen, entscheidend zu sein.»

Es ist schon länger bekannt, dass der orbitofrontale Kortex an Entscheidungsprozessen beteiligt ist. Er hat gewissermassen die Aufsicht darüber, dass Reaktionen auf äussere Umstände angemessen und erfolgreich sind. «Die dieser Funktion zugrundeliegenden Nervenschaltkreise waren aber bis jetzt nicht bekannt», sagt der Erstautor der Studie, Abhishek Banerjee, seit kurzem Professor an der Universität Newcastle. «Diese Art der Kommunikation und Kontrolle über verschiedene Hirnareale hinweg ist wirklich bemerkenswert.»

Störungen besser verstehen

Die Forscher gehen davon aus, dass sich die fundamentalen Prozesse, die sie in der Maus beobachtet haben, in ähnlicher Weise auch im menschlichen Gehirn abspielen. «Dieses vertiefte Wissen über die komplizierten Vorgänge im Gehirn bei Entscheidungsprozessen kann wichtig sein», so Helmchen. «Unsere Forschungsergebnisse tragen etwa zum besseren Verständnis von Hirnkrankheiten bei, bei denen diese Flexibilität gestört ist, wie beispielsweise bei Formen von Autismus und Schizophrenie.» Denn für Menschen, die ihr Verhalten sehr schwer oder gar nicht anpassen können, sei dies tatsächlich ein grosses Problem.

Universität Zürich


Originalpublikation:

Abhishek Banerjee et al.: Value-guided remapping of sensory cortex by lateral orbitofrontal cortex. Nature, 3. September 2020. Doi: 10.1038/s41586-020-2704-z

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2704-z