Beteiligtes Bernstein Mitglied: Ilka Diester

/UniFR/ Menschen und Tiere erkennen in manchen Situationen leichte taktile Reize, spüren also Berührungen wie die Vibration eines Smartphones, während sie in anderen Situationen stärkere Reize versäumen. Dieses Paradoxon entsteht dadurch, dass spontan intern erzeugte und extern verursachte Aktivitäten im Gehirn miteinander konkurrieren. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vermuten, dass kurzzeitige Ausbrüche der Beta-Wellen-Schwingungen im Gehirn, sogenannte Bursts, die intern erzeugten Aktivitäten darstellen und die Wahrnehmung von externen Reizen verhindern. Doch der zugrundeliegende Mechanismus wurde bisher nur aus der Theorie abgeleitet. Experimentelle Belege und Untersuchungen zur Beta-Wellen-Regulation auf die Wahrnehmung der Reize in Echtzeit fehlten bislang. Prof. Dr. Ilka Diester vom Institut für Biologie III an der Universität Freiburg und dem Forschungscluster BrainLinks-BrainTools und ihre Arbeitsgruppe um Golan Karvat haben die theoretischen Überlegungen nun praktisch überprüft. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden in der Fachzeitschrift PNAS – Proceedings of the National Academy of Sciences.

Reizwahrnehmung durch Impulssteigerung

Beta-Wellen stellen den Ausschnitt des Hirnwellenbildes im Frequenzbereich zwischen 14 und 30 Hertz dar. Diese Beta-Wellen treten auch ohne äußere Reize im Gehirn auf. Während der Bursts von Beta-Wellen reagieren mehrere Neuronen synchron, woraufhin die Aktivität, die sogenannte Feuerrate, der Neuronen sinkt. Die Neuronen antworten dann weniger häufig, so dass Reize seltener erkannt werden. „Wir haben herausgefunden, dass diese Hemmung im sensorischen Kortex überwunden werden kann“, sagt Karvat. „Der Burst verhindert zwar die externe Reizwahrnehmung in Echtzeit, aber durch die Anpassung der Reizintensität kann der Effekt bidirektional ausgeglichen werden. Die Amplitude des externen Reizes kann erhöht oder verringert werden, je nachdem, ob mehr oder weniger Beta-Wellen auftreten.“

In ihren Versuchen überwachten die Forschenden die elektrische Aktivität des Gehirns von Ratten vor und während der Aufgabe, eine Vibration an ihrer Vorderpfote zu erkennen. Die Feuerraten der Neuronen und die sogenannten lokalen Feldpotentialen wurden über kortikale Schichten und Frequenzbereiche hinweg analysiert. Dies bestätigte, dass die spontan auftretende Gehirnaktivität, welche auf internen Faktoren beruht, gegensätzlich zu den extern hervorgerufenen Reizen verläuft. „Damit zeigen wir, dass spontane Beta-Wellen-Bursts mit externen hervorgerufenen Reizen im sensorischen Kortex konkurrieren“, erklärt Diester.

Wichtige Erkenntnisse für die Neuroprothetik

Für die Analyse des sogenannten lokalen Feldpotentials nutzten die Forschenden einen Trick: „Wenn Neuronen zusammen antworten, hinterlässt das einen Fingerabdruck im lokalen Feldpotential“, sagt Karvat. „Dieser Abdruck findet sich auch in nicht-invasiven Messungen wie der Elektroenzephalographie und der Magnetoenzephalographie.“
Mit ihrer Studie belegen die Wissenschaftler eine Hypothese, die bereits in theoretischen Arbeiten vermutet wurde. Darüber hinaus zeigen sie, dass das Gehirn in bestimmten Zuständen mehr auf externe Reize reagiert als in anderen, abhängig von der intrinsischen und spontanen Aktivität des Gehirns. Diester betont: „Diese Erkenntnis ist wichtig für die Entwicklung zukünftiger neuroprothetischer Geräte, bei denen Wahrnehmungen direkt ins Gehirn geschrieben werden sollen.“

Ilka Diester leitet am Institut für Biologie III sowie am Forschungscluster BrainLinks-BrainTools der Universität Freiburg eine Arbeitsgruppe, die mittels Optophysiologie, also neuartigen optischen Werkzeugen, der Funktionsweise neuronaler Verschaltungen nachgeht. Die Wissenschaftler erforschen neuronale Grundlagen der motorischen und kognitiven Kontrolle sowie Interaktionen zwischen präfrontalem und motorischem Kortex, die beide Teil der Großhirnrinde sind.

Pressmitteilung der Universität Freiburg

Originalpublikation

Karvat, G., Alyahyay, M. & Diester, I. (2021): Spontaneous activity competes with externally evoked responses in sensory cortex. In: PNAS. https://doi.org/10.1073/pnas.2023286118