Das neurologische Paradigma von hochgradig spezialisierten Gehirnzellen gerät durch eine wissenschaftliche Untersuchung ins Wanken. Forscher um Stefano Fusi von der Columbia University in New York haben herausgefunden, dass die Mehrheit der Nervenzellen im Gehirn von Säugetieren als Allrounder agiert. Anstatt wie seltene Spezialzellen exklusiv auf ein bestimmtes Signal anzusprechen, verarbeiten die meisten Neuronen gleichzeitig mehrere verschiedene Informationen. Dies könnte die medizinische Forschung und das grundlegende Verständnis von neurologischen Prozessen nachhaltig verändern.
- Eine Datenanalyse des International Brain Laboratory von über 100 Mäusen zeigt, dass spezialisierte Neuronen im Gehirn die Ausnahme bilden.
- Spezialisierte Zellen finden sich primär in dedizierten sensorischen Arealen wie dem primären visuellen Kortex.
- Untersuchte Neuronen außerhalb der Sehdecke verarbeiteten gleichzeitig visuelle Reize, Entscheidungsprozesse und Bewegungsimpulse.
Das klassische Lehrbuchwissen steht vor einer Korrektur
Über Jahrzehnte hinweg entdeckten Neurowissenschaftler scheinbar hochspezialisierte Nervenzellen. Bekannte Beispiele sind Orientierungszellen für die räumliche Navigation oder Spiegelneuronen zur Interpretation von Verhalten. Diese Entdeckungen prägten die Vorstellung, das Gehirn sei wie ein Baukasten aus klar abgegrenzten Spezialwerkzeugen aufgebaut.
Die breite Masse der Nervenzellen arbeitet jedoch nicht als isolierte Spezialisten, sondern reagiert hochgradig variabel auf unterschiedliche Aufgabenreize.
Für die Neurowissenschaften und die medizinische Praxis bedeutet diese Erkenntnis eine fundamentale Umorientierung. In der klassischen Hirnforschung wurde oft nach einzelnen, herausstechenden Neuronen gesucht. Die neuen Ergebnisse legen jedoch nahe, dass komplexe Gehirnfunktionen wie Gedächtnis, Wahrnehmung und Entscheidungsfindung erst durch das Zusammenspiel breiter Muster über tausende Neuronen hinweg entstehen.
Daten von 14.000 Nervenzellen analysiert
Für ihre Untersuchung griffen Fusi und sein Team auf Datensätze des International Brain Laboratory zurück. Dabei wurde die Aktivität einzelner Neuronen von mehr als 100 Mäusen aufgezeichnet, während diese eine Entscheidungsaufgabe lösten. Die Tiere mussten ein Bild auf einem Bildschirm erkennen und es durch das Drehen eines Rades in die Mitte bewegen.
Die Auswertung von rund 14.000 Neuronen zeigte klar: Nur in spezialisierten sensorischen Arealen, etwa dem primären visuellen Kortex, reagierten die Zellen exklusiv auf eine bestimmte Information. In den übrigen Gehirnbereichen waren dieselben Neuronen gleichzeitig an der Auswertung des Bildes, der Richtungsentscheidung und der motorischen Steuerung des Rades beteiligt. Auch Bewegungskortex-Arealen zeigten Reaktionen auf unterschiedliche Reize wie Schnurrhaar-Bewegungen oder Lecken. Ben Hayden vom Baylor College of Medicine ordnet das Ergebnis als deutliches Signal ein, da trotz der enormen Datenmenge kaum reine Spezialisierungen gefunden wurden.
Künftige Untersuchungen an menschlichen Patienten geplant
Dass mehrere Nervenzellen leicht unterschiedlich auf denselben Reiz reagieren, könnte die Informationskapazität des Gehirns maximieren. Die untersuchte Aufgabe der Mäuse war allerdings vergleichsweise einfach aufgebaut. Komplexe, mehrdimensionale Aufgabenstellungen könnten künftig genauer zeigen, wann und wie Neuronen zwischen verschiedenen Aspekten einer Aufgabe wechseln.
Um zu prüfen, ob sich die Resultate auf den Menschen übertragen lassen, arbeiten die Forscher nun mit Teams zusammen, die Nicht-Menschenaffen sowie wache Patienten während Gehirnoperationen untersuchen.
Mögliche Anwendungsfelder bieten sich etwa bei chirurgischen Eingriffen zur Behandlung von Epilepsie. Ziel ist es, den Fokus von einzelnen Zellen weg auf das Gesamtmuster von Neuronennetzwerken zu lenken. Da jede Nervenzelle im Gehirn Signale von bis zu 10.000 anderen Neuronen über ihren Dendritenbaum empfängt, lässt sich die Funktionsweise des Denkorgans nur durch das Betrachten ganzer Zellverbände vollständig verstehen.
Wie beurteilen Sie diesen Wandel in der Gehirnforschung? Teilen Sie Ihre Gedanken und Diskussionsbeiträge gerne in den Kommentaren mit uns.
