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FMI

Nervenzellen (grün) und Gliazellen (orange) in der Hirnrinde.

8. Dezember 2011

Hirnrinde spielt wichtige Rolle bei emotionalen Lernprozessen

Ein Team von Neurobiologen um Andreas Lüthi am Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research (FMI) der Novartis Forschungsstiftung konnte erstmals nachweisen, dass die Hirnrinde, welche für gewöhnlich mit höheren Funktionen wie Wahrnehmung und Denken in Verbindung gebracht wird, auch wichtig ist für das emotionale Lernen. Mit einer Reihe von neuen Methoden beobachteten die Forschenden welche neuronalen Schaltkreise in den verschiedenen Hirnregionen beim Lernen aktiviert werden. Die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie zeigt eine klare Verbindung zwischen Mustern neuronaler Aktivität und dem Verhalten auf und leistet Pionierarbeit im Bereich der Forschung zu Emotionen im Gehirn.

Rund 10% aller Erwachsenen sind von Angststörungen betroffen. Eines der Hauptmerkmale dieser Erkrankungen ist, dass die Patienten "gelernt" haben, Situationen oder Objekte in einem Ausmass zu fürchten, das in keinem Verhältnis zur wirklichen Gefahr steht. Die Amygdala, ein Kerngebiet des Gehirns, spielt bei der Verarbeitung von Ängsten eine zentrale Rolle; ihre Funktion kann bei Angststörungen beeinträchtigt sein.
Angst entsteht jedoch nicht ohne Sinneseindrücke: Wir hören, sehen, riechen, schmecken oder fühlen etwas, das Angst in uns auslöst. Diese sensorischen Signale werden nicht in der Amygdala sondern in der Hirnrinde verarbeitet, dem Teil des Gehirns der mit höheren Funktionen wie Wahrnehmung und Denken in Verbindung gebracht wird. Wie diese Gehirnregion an emotionalem Lernen beteiligt ist, ist jedoch kaum untersucht.

Erstmals konnten Forscher im Team von Andreas Lüthi, Gruppenleiter am FMI und Professor an der Universität Basel, einen Sinneseindruck beim Lernen auf seinem zellulären Pfad durch das Gehirn verfolgen. Ihre Ergebnisse, die einen Schaltkreis in der Hirnrinde als entscheidend für das Lernen von Angst beschreiben, wurden heute in der renommierten Forschungs-zeitschrift Nature veröffentlicht.

Das Gehirn beim Lernen beobachten
In Lüthis Experimenten lernten Mäuse, einen Ton mit einem unangenehmen Reiz zu assoziieren, so dass in der Folge dem Tier schon der Ton an sich unangenehm wurde. Während diesem Lernprozess visualisierten die Forschenden die neuronale Aktivität im Gehirn mittels 2-Photonen-Kalzium-Imaging.

Normalerweise wird die Aktivität neuronaler Netze über ein ausgefeiltes Gleichgewicht von synaptischer Anregung und synaptischer Hemmung streng kontrolliert. Ein Reiz führt so nur kurz zu einer Aktivierung des Netzwerkes bevor dieses rasch wieder gehemmt wird. Im Gegensatz dazu fanden die Autoren heraus, dass der beschriebene Lernvorgang für ein kurzes Zeitfenster diese Hemmung drosselt. Diesen Vorgang bezeichnen sie als "Disinhibition". Wenn das Tier also beim Lernen einen Ton wahrnimmt, wird dieser weitaus stärker verarbeitet als unter Normalbedingungen. Diese erhöhte Aktivität löst wahrscheinlich erst die Neuverschaltung einzelner Synapsen aus, die der Gedächtnisbildung zugrunde liegt.

Schaltkreis in der Hirnrinde für das Lernen notwendig
In der Folge wies Lüthi nach, dass dieser disinhibitorische Mikroschaltkreis auch in anderen Regionen der Hirnrinde vorhanden ist, zum Beispiel in dem Teil, der für die Verarbeitung visueller Reize zuständig ist. "Ein wirklich interessanter Aspekt unserer Beobachtungen ist, dass die Disinhibition für das Lernen anscheinend notwendig ist, das Lernen an sich jedoch nicht auslöst. Vielmehr nimmt das, was wir in einem Zustand erhöhter Erregung und Aufmerksamkeit wahrnehmen, Einfluss darauf, was wir tatsächlich lernen", so Lüthi

Um ihre Erkenntnisse weiter zu untermauern, machten sich Johannes Letzkus und Steffen Wolff, beides Mitglieder der Gruppe von Lüthi, die Optogenetik zunutze. Sie verwendeten das noch relativ junge Verfahren, um die Disinhibition während des Lernvorgangs zu stören. Dies hatte zur Folge, dass das Lernen bei den betreffenden Mäusen erheblich beeinträchtigt war. So konnten sie direkt nachweisen, dass die Disinhibition für das Lernen unerlässlich ist.

"Dank der Entwicklung neuer neurobiologischer Methoden können wir zum ersten Mal in die "Black Box" schauen und tatsächlich nachweisen, was in neuronalen Schaltkreisen beim assoziativen Lernen auf der Ebene einzelner Nervenzellen geschieht. So können wir einen erklärenden Beitrag zu den lernpsychologischen Konzepten von Erregung und Aufmerksamkeit beim Lernen leisten", so Lüthi weiter.

Kontakt
Andreas Lüthi, andreas.luthi@fmi.ch, Tel. +41 61 697 82 71
Johannes Letzkus, johannes.letzkus@fmi.ch, Tel. +41 61 697 78 94

Original Publikation
Letzkus JJ, Wolff SBE, Meyer EMM, Tovote P, Courtin J, Herry C, Lüthi A. (2011) A disinhibitory microcircuit for associative fear learning in auditory cortex. Nature, DOI: 10.1038/nature10674

Über das FMI
Das Friedrich Mischer Institute for Biomedical Research (FMI) in Basel ist ein weltweit anerkanntes Spitzenforschungsinstitut für Grundlagenforschung in den biomedizinischen Wissenschaften. Es wurde 1970 von zwei in Basel ansässigen Pharmakonzernen initiiert und ist heute ein Teil der Novartis Forschungsstiftung. Die Forschung am FMI fokussiert sich auf die Bereiche Neurobiologie, Wachstumskontrolle und Signalwege, sowie Epigenetik. Zurzeit arbeiten rund 320 Mitarbeitende am FMI. Das FMI leistet einen wichtigen Beitrag zur Aus- und Weiterbildung von Forschenden: Sein PhD Student Programm und sein Postdoctoral Training gehören zu den besten auf der Welt. Das FMI ist ausserdem der Universität Basel angegliedert. Seit 2004 leitet Prof. Susan Gasser das Institut.

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