ISTA-Neurowissenschaftler decken Besonderheiten des menschlichen Gehirns auf

In einer in „Cell“ veröffentlichten Arbeit haben Forschende am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und Neurochirurgen der Medizinischen Universität Wien, Österreich, Licht in die menschliche Hippocampus-Region CA3 gebracht, die für die Gedächtnisspeicherung zentral ist.

Unser menschliches Gehirn verfügt über die bemerkenswerte Fähigkeit, Erinnerungen ein Leben lang zu speichern und wiederzugeben. Ein Raum, eine vertraute Situation oder auch ein Geruch allein können eine Erinnerung hervorrufen, und unser Gehirn verknüpft diese Informationen, um das Muster der Erinnerung zu vervollständigen. Obwohl das menschliche Gehirn für diesen Zweck optimiert ist, beginnen wir gerade erst zu verstehen, wie es Informationen über unsere Umgebung integriert. Dieser Prozess der Mustervervollständigung ist eine bemerkenswerte Verarbeitungsfähigkeit unseres Gehirns, die als assoziatives Gedächtnis bezeichnet wird.

Der Großteil unseres neurowissenschaftlichen Wissens über das Gehirn stammt von gut untersuchten Tiermodellen wie Nagetieren, die für die Wissenschaft unverzichtbar sind. Aber ist das menschliche Gehirn einfach nur eine vergrößerte Version des Mäusegehirns oder hat es besondere Merkmale, die es menschlich machen? Forschende des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und Neurochirurgen der Medizinischen Universität Wien beleuchten nun, wie das menschliche Gehirn assoziative Erinnerungen speichert und abruft. Peter Jonas, Magdalena-Walz-Professor for Life Sciences am ISTA, und der Postdoktorand Jake Watson initiierten die Zusammenarbeit mit Prof. Karl Rössler von der Universitätsklinik für Neurochirurgie der Medizinischen Universität Wien, und untersuchten Proben von Epilepsie-Patienten, die sich einem neurochirurgischen Eingriff unterzogen hatten. Durch diese Kooperation konnten sie Erkenntnisse direkt aus intaktem, lebendem menschlichem Gewebe gewinnen.

Menschen haben kein „großes Mäuse-Gehirn“

Der Hippocampus ist das Zentrum für Lernen und assoziatives Gedächtnis im Gehirn. Eine Region namens CA3 im Hippocampus speichert und verarbeitet Informationen und vervollständigt Muster. Da es selten möglich ist, gesundes menschliches Material zu nutzen, haben sich die meisten Studien bisher auf Tiermodelle konzentriert. Jonas und Watson lösten dieses Problem, indem sie mit Rössler kooperierten, einem Neurochirurgen, der sich auf behandlungsresistente Epilepsieformen spezialisiert hat. „Während Patient:innen, die sich einem neurochirurgischen Eingriff unterziehen, eine große Bandbreite an klinischen Erscheinungsbildern aufweisen, identifizierte Prof. Rössler eine Untergruppe von Epilepsiepatient:innen, die einen intakten Hippocampus aufweisen“, erklärt Jonas. Diese Chance konnten sich die Wissenschafter nicht entgehen lassen. „Bei dieser Form der Epilepsie ist eine einseitige Entfernung des Hippocampus notwendig, damit die Patient:innen eine Chance haben, zu gesunden und ein epilepsiefreies Leben zu führen“, erklärt Jonas. So konnte das Team von 17 Epilepsie-Patienten, mit deren Einverständnis, intaktes Hippocampus-Gewebe gewinnen.

An diesen Proben kombinierten die Forscher Modellierung mit modernsten experimentellen Techniken – multizelluläre Patch-Clamp-Technik zur Messung dynamischer funktioneller Eigenschaften von Neuronen, und superauflösende Mikroskopie. So kamen sie zu erstaunlichen Ergebnissen. Sie zeigten, dass der menschliche Hippocampus weit davon entfernt ist, eine vergrößerte Version des gut untersuchten Mäusehippocampus zu sein. Tatsächlich war die neuronale Konnektivität in der menschlichen CA3-Region spärlicher, und ihre Synapsen schienen zuverlässiger und präziser zu sein. Auf diese Weise entdeckte das Team besondere Eigenschaften der Verdrahtung des menschlichen Gehirns.

„Wir hatten das Gefühl, nichts zu wissen“

Trotz der besonderen Zellstruktur und synaptischen Konnektivität des menschlichen Hippocampus bleiben Daten aus Tiermodellen nach wie vor sehr wichtig. Sie dienen als Referenz und helfen den Forschenden, die Technologie für die Untersuchung von menschlichem Gewebe zu entwickeln. „Wenn man mit Nagetieren arbeitet, hat man manchmal das Gefühl, dass alles über den Hippocampus bereits bekannt ist“, berichtet Watson. „Sobald ich angefangen habe, die ersten Proben zu untersuchen, wurde mir klar, wie wenig wir über den menschlichen Hippocampus wussten. Obwohl dies die am besten untersuchte Region des Gehirns bei Nagetieren ist, hatten wir das Gefühl, dass wir nichts über die menschliche Physiologie, die zelluläre Organisation oder die Konnektivität wussten.“ Basierend auf ihren Erfahrungen mit dem Hippocampusgewebe von Nagetieren mussten Watson und Jonas daher neue Wege finden, um diesen Teil des Gehirns beim Menschen zu untersuchen.

Modellierung der Rechenleistung des menschlichen Gehirns

Anhand ihrer experimentellen Daten zielte das Team darauf ab, ein Modell der Rechenleistung des CA3-Netzwerks im menschlichen Hippocampus zu erstellen. Sie erkannten, dass die humanspezifischen Schaltkreise und die synaptische Konnektivität es ihnen ermöglichten, das Ausmaß zu messen, in dem Erinnerungen zuverlässig gespeichert und abgerufen wurden. „Wir konnten testen, wie viele Muster in dieses Modell passen. So konnten wir nachweisen, dass die humanspezifische spärliche synaptische Konnektivität und die erhöhte synaptische Zuverlässigkeit die Speicherkapazität erhöhen“, erklärt Jonas. Die Forschenden haben somit herausgefunden, wie das menschliche CA3-Netzwerk Informationen effizient kodiert, um die Speicherung und Verknüpfung von Erinnerungen zu maximieren.

Den Forschenden zufolge trägt die vorliegende Studie dazu bei, die Art und Weise zu verändern, wie Wissenschaftler und Mediziner das menschliche Gehirn wahrnehmen. „Unsere Arbeit unterstreicht die Notwendigkeit, unser Verständnis des Gehirns in Bezug auf Menschen zu überdenken. Künftige Forschungen zu den Schaltkreisen des Gehirns, auch wenn sie mit Nagetieren durchgeführt werden, müssen das menschliche Gehirn im Blick haben“, betont Jonas.