Menschen und andere Primaten verfügen über eine hochentwickelte und hierarchisch organisierte Sehverarbeitung im Gehirn. Die bewusste Verarbeitung von Sehinformationen beginnt im primären visuellen Kortex. Hier werden Merkmale wie Kanten, Linien, Bewegung und Farbe erkannt und letztlich an höhere Areale wie den lateralen präfrontalen Kortex weitergeleitet. Diese Hirnregion spielt eine wichtige Rolle für das Arbeitsgedächtnis, das auch für die Verarbeitung komplexer Sehinformationen wichtig ist, wie beispielsweise das Zurechtfinden im städtischen Straßenverkehr. Inwiefern die Nervenzellen in diesen beiden Hirnregionen an der Erfüllung der verschiedenen Aufgaben beteiligt sind, ist bisher nicht vollständig geklärt.
Ein internationales Team von Forschenden unter gemeinsamer Federführung der Universitätsmedizin Göttingen (UMG), der Universität Göttingen und der University of Western Ontario in London, Kanada, hat Nervenzellen aus dem primären visuellen Kortex und dem lateralen präfrontalen Kortex in Weißbüschelaffen untersucht und dabei die dreidimensionale Struktur und die elektrische Funktion der Zellen vermessen. Drei der untersuchten Nervenzellklassen zeigten Unterschiede in Struktur und Funktion, je nachdem, ob sie aus primären oder höheren Hirnregionen stammten, die Sehinformation verarbeiten. Die Studie ist im Teilprojekt „In vitro physiology, morphology and circuitry of working memory“ des internationalen NeuroNex-Forschungsvorhabens entstanden, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wurde.
„Die Ergebnisse liefern uns erstmalig umfassende Einblicke in die Unterschiede von Nervenzellen in verschiedenen Hirnregionen und deren funktionale Bedeutung“, sagt Prof. Dr. Jochen Staiger, Direktor des Instituts für Neuroanatomie der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) und Letztautor der Studie. „Wir sehen, dass sich die Nervenzellen je nach zu erfüllender Aufgabe und Lage im Gehirn strukturell und funktionell anzupassen scheinen, und zwar in Primaten in viel größerem Ausmaß als in Nagetieren. Dies ist eine wichtige Erkenntnis, die als Ansatzpunkt für ein verbessertes Verständnis des Arbeitsgedächtnisses dient, welches eine Rolle bei der Entstehung neurologischer und neuropsychiatrischer Erkrankungen wie der Schizophrenie zu spielen scheint.“ Dr. Andreas Neef, Leiter des Labors für Neurophysik am Göttingen Campus Institut für Dynamik biologischer Netzwerke (CIDBN) und ebenfalls Letztautor der Studie, ergänzt: „Unsere elektrischen und strukturellen Untersuchungen bilden eine Brücke zwischen anderen Forschungszweigen des NeuroNex-Vorhabens, die sich auf Molekularbiologie und computergestützte Neurowissenschaft konzentrieren. Gemeinsam gewinnen wir ein umfassendes Bild des Arbeitsgedächtnisses, einer Spezialisierung, die sich nur in sehr wenigen Tiergruppen so ausgeprägt findet wie in Menschen und anderen Primaten.“
Die Studie im Detail
In der Studie wurden die elektrophysiologischen Eigenschaften von 483 Nervenzellen in verschiedenen Hirnschichten von Weißbüschelaffen des Deutschen Primatenzentrums – Leibniz-Institut für Primatenforschung in Göttingen untersucht – 214 im primären visuellen Kortex und 269 im lateralen präfrontalen Kortex. Die erhaltenen Daten wurden anschließend mit bereits bekannten Daten von Mäusen und menschlichen Nervenzellen verglichen. Dazu wurde eine auf maschinellem Lernen basierte Methode entwickelt – ein Computerprogramm, das anhand bereits vorhandener Daten aus Mäusen und Menschen darauf trainiert wurde, verschiedene Klassen von Nervenzellen zu unterscheiden, die aus jeweils verschiedenen Zelltypen zusammengesetzt sind. Zudem wurden ganze Nervenzellen mit Farbstoff gefüllt und in einem aufwändigen Verfahren in zirka 80 Stunden pro Zelle in ein 3D-Modell am Computer überführt. Auf diese Weise konnten die einzelnen Zellen sowie deren Lage im Gehirn bildlich dargestellt und analysiert werden.
Durch den Vergleich der Daten konnten drei verschiedene Klassen in den beiden untersuchten Hirnregionen der Weißbüschelaffen identifiziert werden: (1) Nervenzellen, die nachfolgende Nervenzellen erregen, wodurch Informationen weitergeleitet werden, (2) Nervenzellen, die andere Nervenzellen schnell und gezielt hemmen, und (3) Nervenzellen, die andere Nervenzellen langsam, aber dafür längerfristig hemmen. Die Hemmung von Nervenzellen verhindert die unkontrollierte Weiterleitung von erregenden Informationssignalen, wodurch beispielsweise eine präzise Sinneswahrnehmung überhaupt erst ermöglicht wird.
Spezialisierte Strukturen für komplexe Informationen
Die Ergebnisse zeigen, dass erregende Nervenzellen im lateralen präfrontalen Kortex – der Hirnregion, in der komplexe Sehinformationen verarbeitet werden – eine spezialisierte Struktur aufweisen. Die Fortsätze, über die Signale von anderen Zellen empfangen werden, die sogenannten Dendriten, sind in dieser Hirnregion in größerer Zahl vorhanden und stärker verzweigt als im primären visuellen Kortex. „Wir wissen bereits, dass ein Teil der Informationsverarbeitung direkt in diesen Fortsätzen stattfindet. Daher ist es möglich, dass sich die größeren und feiner unterteilten Fortsätze hier herausbilden, damit die komplexeren Berechnungen in dieser Hirnregion effektiver ablaufen können“, erklärt Dr. Neef.
Darüber hinaus fiel in diesem Areal eine spezielle Gruppe hemmender Nervenzellen auf. Auf eine Stimulation reagierten sie völlig anders als ihre direkten Gegenstücke im primären Kortex: Sie feuerten eine extrem schnelle Abfolge von Impulsen, wodurch sie nachgeschaltete Zellen besonders effektiv hemmten.
Beteiligte Projektpartner*innen
Neben der UMG mit Prof. Staiger und Erstautor Dr. Stefan Pommer vom Institut für Neuroanatomie und der Universität Göttingen mit Dr. Neef bestand eine enge Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Stefan Treue und Prof. Dr. Rabea Hinkel vom Deutschen Primatenzentrum – Leibniz-Institut für Primatenforschung (DPZ) sowie mit Prof. Dr. Julio Martinez-Trujillo, ebenfalls einer der Letztautoren der Studie, und Erstautor Dr. Michael Feyerabend, beide von der University of Western Ontario in London, Kanada. Im Weiteren waren beteiligt das Center for Biostructural Imaging of Neurodegeneration (BIN) der UMG, die Max-Planck-Institute für Multidisziplinäre Naturwissenschaften (MPI-NAT) und für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS), das Deutsche Zentrum für Herz-Kreislauf-Erkrankungen (DZHK) am Standort Göttingen, die Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover, sowie in den USA die Yale School of Medicine in New Haven, Connecticut, und die University of Pittsburgh in Pittsburgh, Pennsylvania, und in Kanada die University of Toronto in Toronto, Ontario.
(Universitätsmedizin Göttingen - Georg-August-Universität)
Originalpublikation:
Feyerabend M., Pommer S., Mestern S., Jimenez-Sosa M.S., Rachel J., Sunstrum J., Preuss F., Khatibi V. A., Hinkel R., Mietsch M., Vijayraghavan S., Everling S., Treue S., Arnsten A.F.T., Lewis D.A., Tripathy S.J., Gonzalez-Burgos G., Inoue W., Neef A., Staiger J.F., Martinez-Trujillo J. Intrinsic Neuronal Diversity as a Substrate for Cortical Area Specialization in Primate Vision. Nature Communications (2026).
DOI: 10.1038/s41467-026-73734-5
