Laterale Hemmung hält ähnliche Erinnerungen auseinander

Mithilfe der sogenannten Mustertrennung ist unser Gehirn in der Lage, Erinnerungen an sehr ähnliche Ereignisse als unterschiedliche Erinnerungen abzuspeichern. Forscher des Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) haben entschlüsselt, wie das Gehirn diese Mustertrennung im Gyrus dentatus berechnet.

Prof. Peter Jonas und sein Team versuchten an Mäusen zu verstehen, wie die Verbindungen zwischen Neuronen es dem Gyrus dentatus ermöglichen, Muster zu trennen. Im Gyrus dentatus senden zwei Arten von Neuronen Signale: Prinzipale Neuronen senden erregende Signale, während Interneuronen hemmende Signale senden.

Die Forscher versuchten, die Regeln der Konnektivität zwischen den Neuronen zu entschlüsseln – welche Neuronen senden einander Signale, sind Verbindungen zwischen Neuronen reziprok, also wechselseitig, oder konvergieren viele Neuronen sodass sie ihre Signale an ein Neuron senden? Die Forscher nahmen die Signale zwischen Neuronen auf, um zu verstehen, wie die Neuronen verbunden sind und wie der lokale Schaltkreis die Mustertrennung unterstützt. Doktorandin Claudia Espinoza führte Ganzzellaufnahmen von acht Neuronen durch. Bei diesen Aufnahmen stimulierte sie ein Neuron im Gyrus dentatus und zeichnete auf, wie die anderen sieben Neuronen darauf reagieren. Durch die Markierung aller stimulierten Neuronen konnte sie danach die Morphologie des Schaltkreises rekonstruieren.

Die Forscher fanden heraus, dass eine Gruppe von Interneuronen, die parvalbumin-exprimierenden Interneuronen, nur im Gyrus dentatus auf eine spezielle Art mit einander verbunden sind. Im Gyrus dentatus hemmen parvalbumin-exprimierende Interneurone hauptsächlich die Aktivität benachbarter Neuronen. Dieses Phänomen wird auch als laterale Hemmung bezeichnet. In anderen Hirnregionen wie dem Neokortex sind parvalbumin-exprimierende Interneurone nicht auf diese Weise miteinander verbunden.

“Wir glauben, dass die einzigartigen Konnektivitätsregeln von parvalbumin-exprimierenden Interneuronen wie die laterale Hemmung eine Anpassung an die spezifische Netzwerkfunktion dieser Hirnregion sind”, erklärte Espinoza. “Unsere experimentellen Daten unterstützen die Idee, dass die Mustertrennung durch einen Mechanismus namens “winner-takes-it-all”, also der Gewinner nimmt alles, funktioniert. Die laterale Hemmung im Gyrus dentatus bewirkt diesen Mechanismus. Dies ist jedoch noch nicht nachgewiesen. Wir brauchen Verhaltensdaten und rechnerische Modellierung, an denen wir arbeiten.”

Nachdem der Gyrus dentatus ähnliche Erinnerungen trennt, um eine Überschneidung zwischen ihnen zu vermeiden, speichert die CA3-Region des Hippocampus diese Erinnerungen. In einer Studie aus dem Jahr 2016 zeigten Jonas und Dr. Jose Guzman, dass die Konnektivität in der CA3-Region des Hippocampus sehr gut dafür geeignet ist, Informationen in einem Prozess namens Pattern-Completion abzurufen. “Auf biologischer Ebene hat unsere Gruppe die Konnektivitätsregeln gefunden, die die Rechenfunktion einer Hirnregion unterstützen”, sagte Espinoza, “Unsere Arbeit trägt dazu bei, zu zeigen, wie lokale Schaltkreise für die spezifische Funktion eines Hirnareals optimiert sind. Während die Signale, die den Gyrus dentatus erreichen, wichtig sind, ist die Art und Weise, auf die der Gyrus dentatus diese Informationen dann berechnet, um eine Mustertrennung zu erreichen, entscheidend.”

Originalpublikation:
Espinoza C. et al.: Parvalbumin+ interneurons obey unique connectivity rules and establish a powerful lateral-inhibition microcircuit in dentate gyrus. Nature Communications 2018;9:4605.