Wie Aufmerksamkeit die Nervenzellaktivität dirigiert

Ein deutsch-iranisches Forscherteam hat in einer Studie mit Rhesusaffen herausgefunden, dass visuelle Aufmerksamkeit die Nervenzellaktivität im Gehirn desynchronisiert und damit eine komplexere Informationsverarbeitung ermöglicht. Dies liefert möglicherweise Hinweise auf Mechanismen, die der Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung (ADHS) oder dem Autismus zugrunde liegen.

Die Neurowissenschaftler Dr. Mohammad Reza Daliri (Institute for Research in Fundamental Sciences in Teheran, Iran), Dr. Moein Esghae und Prof. Stefan Treue (Deutsches Primatenzentrum (DPZ) – Leibniz-Institut für Primatenforschung in Göttingen) haben die Aktivität einzelner Nervenzellen im Gehirn von Rhesusaffen gemessen. Mit sehr dünnen Mikroelektroden ermöglicht diese schmerzfreie Technik, die Aktivität größerer Gruppen von Nervenzellen gleichzeitig zu untersuchen, während die Tiere eine Wahrnehmungsaufgabe durchführen. Die Aktivität dieser Nervenzellpopulationen kann man als kontinuierliche fluktuierende Signale über ein breites Frequenz-Spektrum in den Zellzwischenräumen messen. Das nennt man lokales Feldpotenzial. Die Signale der einzelnen Zellen (Aktionspotenziale) sind dabei an den Takt der Feldpotenziale gekoppelt.

Mit Hilfe neuartiger Signalverarbeitungstechniken fanden die Wissenschaftler heraus, dass visuelle Aufmerksamkeit die Aktivität einzelner Nervenzellen unabhängiger von den periodischen lokalen Feldpotenzialen macht. „Die Aufmerksamkeit entkoppelt Nervenzellen voneinander, so dass einzelne Zellen unabhängiger aktiv sind und somit die Reizdarstellung erweitern, so wie das Spielen verschiedener Stimmen und Melodien es einem Orchester ermöglicht, komplexere Musik zu spielen“, erklärte Treue, Professor für Kognitive Neurowissenschaften an der Universität Göttingen und Leiter der Abteilung Kognitive Neurowissenschaften am Deutschen Primatenzentrum.

Die detaillierte Kenntnis darüber, wie das Gehirn von Rhesusaffen Aufmerksamkeit und andere komplexe kognitive Funktionen ermöglicht, lässt Rückschlüsse auf die Vorgänge im menschlichen Gehirn zu. Die synchronisierte Aktivität von Nervenzellen spielt eine entscheidende Rolle für die Wahrnehmung bei Menschen und anderen Primaten. Zu verstehen, wie genau diese Synchronizität gesteuert wird, hilft nicht nur, die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen der bewussten Wahrnehmung besser zu verstehen, sondern könnte auch zu einem besseren Verständnis der physiologischen Defizite beitragen, die den Störungen der Aufmerksamkeitskontrolle und -wahrnehmung, wie bei ADHS, Autismus und Schizophrenie zugrunde liegen.

„Unsere Ergebnisse eröffnen ein neues Verständnis dafür, wie die Informationsverarbeitung in den lokalen neuronalen Schaltkreisen des Primatengehirns gesteuert wird“, kommentierte Esghaei, Erstautor der Studie, die Ergebnisse. „In weiterführenden Studien wollen wir untersuchen, wie neuronale Fluktuationen erzeugt werden, um einzelne Nervenzellen zu steuern.“

Originalpublikation:
Esghaei M. et al.: Attention decouples action potentials from the phase of local field potentials in macaque visual cortical area MT. BMC Biol 2018;16(1):86.