Theta-Rhythmus: Meister im Synchronspeichern

22. Oktober 2015
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Der Hippocampus gilt als Sitz des Gedächtnisses. Doch nur wenn die Neuronen in dieser Hirnregion in einem bestimmten Rhythmus feuern, prägen sich neue Gedächtnisinhalte ein. Forscher konnten nun zeigen, wie es zu dieser Synchronisierung kommt.

Wenn wir uns neue Dinge merken, arbeiten die Nervenzellen im Hippocampus plötzlich im Gleichtakt. Sie feuern dann bis zu zehn Mal in der Sekunde und erzeugen so ein regelmäßiges Signal, das sich mithilfe der Elektroenzephalographie (EEG) als sogenannter Theta-Rhythmus detektieren lässt. Diese gleichförmigen Schwingungen mit einer Frequenz von rund vier Hertz haben Wissenschaftler nicht nur beim Menschen, sondern auch bei Ratten, Mäusen, Hasen und anderen Säugetieren beobachtet. Gesteuert wird dieser Mechanismus von einer Region im Vorderhirn: Das mediale Septum dirigiert als eine Art zellulärer Taktstock die für die Gedächtnisbildung notwendigen Vorgänge im Hippocampus. Wie Experimente mit Versuchstieren zeigten, verringert sich die Stärke des Theta-Rhythmus deutlich, wenn das Septum nicht mehr richtig funktioniert.

Gleichzeitig versorgt dieses Gehirnareal den Hippocampus auch mit dem Botenstoff Acetylcholin. Dass dieser Neurotransmitter für die Speicherung neuer Gedächtnisinhalte eine wichtige Rolle spielt, ist schon länger bekannt. „Wenn man mit geeigneten Wirkstoffen die Funktion von Acetylcholin blockiert, wird die Gedächtnisfunktion beeinträchtigt“, sagt Holger Dannenberg von der Klinik für Epileptologie der Universität Bonn. Auch können Inhibitoren des Enzyms Acetylcholinesterase, die den Abbau des Botenstoffs verlangsamen, die kognitiven Fähigkeiten von Patienten mit leichter bis mittelschwerer Alzheimer-Demenz in sehr geringem Umfang verbessern.

Unterschiedliche Nervenzellen sind miteinander verbunden

Allerdings war bisher unklar, wie die Acetylcholin-Ausschüttung mit der Taktgeber-Funktion des Septums zusammenhängt. Dannenberg und weitere Forscher der Universität Bonn haben diese Frage nun mithilfe eines Tiermodells geklärt. Wie sie in einem Artikel [Paywall] im Journal of Neuroscience mitteilen, sorgt erst das Wechselspiel von Acetylcholin ausschüttenden Nervenzellen und speziellen Taktgeberzellen im Septum dafür, dass die Nervenzellen im Hippocampus von Mäusen synchronisiert werden. Im Septum gibt es verschiedene Nervenzelltypen, von denen die Bonner Forscher zwei näher in Augenschein nahmen: cholinerge und GABAerge Nervenzellen, die jeweils die Botenstoffe Acetylcholin und GABA ausschütten. Die Nervenzellen dieser beiden Subtypen sind miteinander vernetzt, bilden aber auch Verbindungen in den Hippocampus aus.

Dannenberg und seine Kollegen wollten herausfinden, ob die beiden Subtypen gleichrangig agieren oder eine der beiden die Führung übernimmt, damit im Hippocampus die Synchronisierung der Neuronen stattfindet. Um diese Prozesse im Detail untersuchen zu können, bedienten sich die Forscher einer Technik, die erst vor wenigen Jahren entwickelt wurde. Die Optogenetik verknüpft die Gentechnik mit Methoden der Optik und gestattet es, einzelne Zelltypen in einer bestimmten Gehirnregion getrennt voneinander zu beeinflussen. Mit ihrer Hilfe gelang es dem Forscherteam, die Bauanleitung eines lichtempfindlichen Proteins in das Erbgut der Acetylcholin ausschüttenden Nervenzellen zu schleusen und diese durch die Bestrahlung mit Licht gezielt zu stimulieren.

Kleiner Chip misst Verhalten der Neuronen

Für solche Experimente ist allerdings viel Fingerfertigkeit notwendig: Nachdem die Forscher die transgenen Mäusen mit Urethan narkotisiert hatten, mussten sie ein feines fiberoptisches Kabel ins winzigkleine Septum der Tiere einführen. Zusätzlich entfernten sie den betäubten Mäusen ein kleines Stück des Schädelknochens und setzten einen nur 15 Mikrometer dicken Chip vorsichtig in den Hippocampus. Er enthält 32 Elektroden, mit deren Hilfe man das Feuerverhalten der verschiedenen hippocampalen Neuronen bestimmen kann.

Als die Forscher die cholinergen Nervenzellen im Septum der Versuchstiere mit Licht bestrahlten und dadurch aktivierten, ließ sich im Hippocampus der für die Gedächtnisbildung typische Theta-Rhythmus detektieren. Die Prinzipalzellen im Hippocampus feuerten nach der Stimulierung weniger, im Gegensatz zu den hemmenden Interneuronen, deren Feuerungsrate sich erhöhte; beide Subtypen taten dies im Rhythmus der Theta-Wellen.

Atropin unterbindet Interaktion

Um herauszufinden, inwieweit die GABAergen Nervenzellen an diesen Prozessen beteiligt waren, wiederholten die Forscher das Experiment, injizierten diesmal aber zusätzlich das Alkaloid Atropin über eine feine Nadel in das Septum der Mäuse. Die Gabe von Atropin, welches das Wechselspiel zwischen cholinergen und GABAergen Nervenzellen unterbindet, führte zum Verschwinden der Theta-Wellen. Zwar zeigten die Neuronen im Hippocampus immer noch ein ähnliches Feuerungsverhalten wie im ersten Experiment, aber ohne einen strukturierten Rhythmus.

„Die cholinergen Nervenzellen vermitteln, wie stark die Nervenzellen des Hippocampus feuern, aber für deren Synchronisierung im Theta-Rhythmus ist die Mitwirkung der GABAergen Nervenzellen erforderlich“, sagt Dannenberg. „Zusammen bewirken diese beiden Effekte, dass die Gedächtniszellen im Hippocampus sehr präzise und synchron ihre Aufgabe verrichten.“ Wahrscheinlich, so der Forscher, sei der Gleichtakt der Nervenzellen wichtig, um die verschiedenen Gedächtnisfunktionen wie Merken und Erinnern zeitlich zu koordinieren.

Gleichtakt der Nervenzellen festigt Gedächtnisspuren

Bei anderen Experten stößt die Studie von Dannenberg und seinen Kollegen auf Zustimmung: „Die Forscher haben auf überzeugende Weise dargelegt, dass cholinerge Nervenzellen den Prozess der Gedächtnisbildung im Hippocampus zwar einleiten, jedoch die GABAergen Nervenzellen des Septums unverzichtbar sind, damit sich der Theta-Rhythmus im Hippocampus überhaupt manifestieren kann“, sagt Uwe Heinemann, Seniorprofessor im Exzellenzcluster NeuroCure der Berliner Charité. „Denn aus neuen Informationen kann der Hippocampus Gedächtnisspuren nur bilden, wenn möglichst viele Nervenzellen im Gleichtakt zusammen arbeiten.“

Die Veröffentlichung der Bonner Arbeitsgruppe stellt auch die Ergebnisse eines anderes Forscherteams auf eine breitere Basis: Die Wissenschaftler um György Buzsáki hatten bereits Ende vergangenen Jahres in einem Artikel in der Fachzeitschrift PNAS berichtet, dass die Stimulierung der cholinergen Nervenzellen die Theta-Wellen im Hippocampus verstärkt, ohne jedoch die Rolle der GABAergen Nervenzellen genauer zu betrachten. Buzsáki und seine Mitarbeiter führten ihre Experimente nicht nur an betäubten Mäusen, sondern auch an wachen Tieren durch. Dabei stellten sie fest, dass bei narkotisierten Mäusen die Effekte etwas schwächer ausfielen. Dannenberg wundert das nicht: „Im wachen Zustand sind die Neuronen im Hippocampus schon etwas aktiviert, wenn sie dann zusätzlich stimuliert werden, fällt die Veränderung der Feuerungsraten natürlich kleiner aus.“

Ähnliche Strukturen bei Maus und Mensch

Ob sich die Ergebnisse der beiden Arbeitsgruppen auch auf den Menschen übertragen lassen, ist noch unklar. Zwar gibt es auch beim Menschen vergleichbare anatomischen Verbindungen zwischen Septum und Hippocampus sowie ein ähnliches Aktivitätsmuster der Theta-Wellen bei der Gedächtnisbildung, doch die Technik der Optogenetik ist bei Weitem noch nicht ausgereift, um mit ihrer Hilfe einzelne Nervenzellarten in ausgewiesenen Arealen des menschlichen Gehirns gezielt zu analysieren.

Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass Versuchspersonen sich Wortpaare schlechter merken konnten, wenn sie einen Hemmer eingenommen hatten, der die Andockstellen von Acetylcholin blockierte. Bedingt durch die systematische Gabe des Wirkstoffs lässt sich auf diese Weise jedoch weder das Areal im Gehirn genau lokalisieren, wo Acetylcholin ausschüttende Nervenzellen ihre Rolle bei der Gedächtnisbildung spielen, noch bestimmen, mit welchen anderen Nervenzelltypen sie dabei in Wechselwirkung treten.

Substanzen dagegen, die die Aktivität der cholinergen Nervenzellen erhöhen, verstärken wahrscheinlich nicht die Gedächtnisleistung bei gesunden Personen: „An der Gedächtnisbildung sind neben Acetylcholin noch andere Neuromodulatoren beteiligt“, sagt Heinemann. „Das Wechselspiel zwischen diesen Faktoren ist noch wenig verstanden.“ Eine permanente Erhöhung von Acetylcholin, so der Forscher, würde vermutlich eher die Gedächtnisbildung durcheinander bringen, als sie zu verbessern.

Originalpublikation:

Synergy of direct and indirect cholinergic septo-hippocampal pathways coordinates firing in hippocampal networks [Paywall]
H. Dannenberg et al.; J Neurosci., doi: 10.1523/JNEUROSCI.4460-14.2015; 2015

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Forschung, Medizin, Neurologie

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11 Kommentare:

Maike Arft-Jacobi
Maike Arft-Jacobi

Vielen Dank für die gut verständliche Zusammenfassung der Dannenberg-Studie! Solche “Übersetzungs-Arbeiten” sind dringend nötig, um zugehörige Probleme in demokratischer Weise handhaben zu können (hilft natürlich alles nichts, wenn Massenmedien ihre Aufgaben nicht erfüllen).
Auch danke an @Neurologe für den Kasprzak-Link.

Tierversuche: Um die Gesundheit von Menschen zu schützen, reichen epidemiologische Studien (z.B. über Zusammenhang “in der Nähe einer Windkraftanlage wohnen-Gesundheitszustand”) und harmlose Menschenexperimente. Finanzierungswille zur Genererierung so genauen Wissens über die Zusammenhänge, dass Tierversuche erforderlich wären, entsteht, weil die Gesundheit von Menschen nicht geschützt werden sollen und verkaufbare Waren herauskommen, die den fehlenden Schutz abfangen. Im vorliegenden Artikel geht es um Dinge, da könnte man ruhig 20-50 Jahre abwarten, bis man durch technische Entwicklungen diese Dinge ohne Tierversuche herausbekommt.

#11 |
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Neurologe
Neurologe

Schallwellen, die die gleiche Frequenz haben wie rhytmischen Entladungen von Nervenzellen, führen zu Resonanzeffekten, die man doch von dem bekannten Beispiel der Kompanie kennt, die bei Gleichschritte eine Brücke zum Einsturz bringen kann.
Das funktioniert auch bei physikalisch gut messbaren Wellen, die das menschliche Ohr nicht mehr als Ton warnehmen kann (Infraschall, typisch für große Windmühlen). Darüber gibt es eine Menge Literatur nicht nur in USA, sondern auch in Europa, Portugal (Castelo Branco, Alves-Pereira “vibroacustic dieaese”, Berufskrankheit) und Polen. Schlafstörung bei Nacht ist eines der führenden Symptome. Als Beispiel für exakte Wissenschaft sei hier nur der Pole C. Kasprzak aus Krakau genannt, der kerngesunde junge Männer in ein Labor gesteckt hat und “beschallt” hat. Dabei hat er EEG-Ableitungen gemacht:
http://tinyurl.com/mbnde8n
und “desynchronised bioelectrical activity”, eine Blockade der alpha-Wellen des Gehirns, gemessen.

MfG

#10 |
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@ Neurologe
Zwar verstehe ich Ihre Analogie der Frequenzen von EEG-Wellen (Theta oder die Frequenz im Tiefschlaf, hier NREM IV) zu den Frequenzen von Windkraftanlagen nicht ganz, aber ganz generell muß vermutet werden, daß es kaum vernünftige politisch gewollten und unterstützten Untersuchungen zum Einfluss von Infraschall auf die Gesundheit gibt oder sie werden totgeschwiegen. Infraschall entsteht auch beim Betrieb von großen Motorschiffen (z.B. Frachtschiffe). Nach heutigen Erkenntnissen muß davon ausgegangen werden, daß sowohl die Schall- als auch die Schattenwurfphänomene von Windkraftanlagen sehr kritisch betrachtet werden müssen. Fluglärm macht erwiesenermaßen krank, ist aber volkswirtschaftlich geduldet. DocCheck könnte sich hier expertenbasiert exponieren. Die Immissionen von Windkraftanlagen werden genauso kleingeredet wie der Fluglärm, tote Vögel gar nicht eingeschlossen.

#9 |
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Neurologe
Neurologe

Die sog. EEG Thetawellen (4,1-8 Hz) charakterisieren psychisch die leichte Schlafphase, beim noch wichtigeren traumlosem Tiefschlaf registriert man im EEG noch tiefere Frequenzen, die Deltawellen (0,1-4 Hz),
beides akustisch mit unserem Ohr als Schall nicht mehr hörbar und daher Infraschall genannt. Hier gibt es zunehmende Gesundheits-Schäden durch den vermehrten Windmühlenbau, je großer desto schlimmer,
gegen den sich besonders Ärzte (politisch wie immer ungehört) engagieren,
wie z.B.
Ärzte für Imissionsschutz in Niedersachsen,
wo besonders viele solche Monster stehen.
Wäre ein dankbares Thema für doccheck.
“Ärzte stehen hier in der Verantwortung, ihre Stimme zu erheben und Fehlentwicklungen zu verhindern.”

#8 |
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Gast
Gast

Gute Information, um die Zusammenhänge des schlechten Arbeitsgedächtnisses bei AD(H)S besser zu verstehen!

#7 |
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Mitarbeiter von DocCheck

Sehr geehrter Gast,

der Kommentar von Herrn Dreusicke wurde nicht durch unseren Autoren Herrn Braun gekürzt, sondern durch die DocCheck News Redaktion. Der Grund dafür war eine werbliche Verlinkung.

Ihre DocCheck News Redaktion

#6 |
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Gudrun Kühlen
Gudrun Kühlen

@Michael Lebherz
Sory, aber einen derartigen Blödsinn habe ich selten gelesen.
Auch ich verabscheue Tierquälerei und bin der Meinung, dass zumindest die Kosmetikindustrie komplett auf Laborversuche an Tieren verzichten sollte.
Aber was bitte hat es mit Zivilisiertheit zu tun, Menschen zu Forschungsexperimenten zu benutzen? Das hatten wir schon mal zwischen 1933 und 1945. Da gab es das Reichstierschutzgesetz. Statt dessen hat man die Versuche dann an wehrlosen Menschen durchgeführt.

#5 |
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Michael Lebherz
Michael Lebherz

Und wann lernt die Forschung endlich, Erkenntnisse zu erlangen, ohne Tiere quälen zu müssen ? Wäre der Mensch zivilisiert, würde er Forschungsexperimente lediglich an seiner eigenen Spezies durchführen und nicht Tiere wie lebloses Spielzeug benützen.

#4 |
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Was soll das?
Es gibt in allen Foren und nicht nur bei DocCheck®News die Regel, dass bei inhaltlichen Beiträgen der User bzw. Follower nicht einfach offene oder versteckte Werbe-Botschaften und -Anpreisungen in der Community mittransportiert werden dürfen. Um zu verhindern, dass Pharmafirmen, Lobbyisten, Medizintechnik-Hersteller, EDV-Dienstleister, Klinik-Ketten bzw. der gesamte Medizinisch-Industrielle Komplex (MIK) die Diskussionsforen dominieren und beeinflussen können. “Und das ist auch gut so!”

#3 |
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Gast
Gast

schon wieder was interessantes gelöscht?
Scheint ja die Spezialität von Herrn Braun zu sein.
Es ging doch um Synchronisation?

#2 |
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Gibt es für die Signalzellen im Sinusknoten des Herzens vergleichbare Untersuchungen zur Synchronisation? [Kommentar wegen werblichen Inhalts von der Redaktion gekürzt].

#1 |
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