Wie das Gehirn Verhalten organisiert

Unser Gehirn muss komplexe Aufgaben in mehrere Schritte hierarchisch unterteilen und zu einem sinnvollen Verhalten koordinieren. Neurowissenschaftler der Universität Wien zeigten nun am Fadenwurm, dass hierarchisches Verhalten von hierarchischer neuronaler Aktivität kontrolliert wird. 

Die Verhaltensforscher Konrad Lorenz und Niko Tinbergen beobachteten bereits in den 1940 Jahren, dass Tiere längere Verhaltensweisen wie die Paarung in mehrere Schritte unterteilen. Um langfristig erfolgreich zu sein, müssen all diese Schritte und Entscheidungen richtig koordiniert werden.

Koordination ist der Schlüssel

Prof. Manuel Zimmer vom Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) und seine Forschungsgruppe, darunter ErstautorInnen und Doktoranden Harris Kaplan und Oriana Salazar Thula, präsentieren in ihrer neuen Studie Belege dafür, dass hierarchische Aktivität in den Neuronen das Verhalten koordiniert. Die NeurowissenschafterInnen nutzten dazu den Wurm Caenorhabditis elegans als Modellorganismus, da das Nervensystem des Wurmes aus nur 302 Neuronen besteht, deren Aktivität jeweils in Echtzeit aufgezeichnet werden kann.

Neuronale Hierarchie kontrolliert das Kriechverhalten

Zimmer und sein Team nutzten verschiedene Mikroskopietechniken, wodurch sie beobachten konnten, welches Neuron des Wurms zu einer bestimmten Zeit aktiv war. So identifizierten sie aktive Neuronen, die jeder Stufe einer Verhaltenshierarchie entsprechen. Manche Neuronen waren über längere Zeit aktiv, beispielsweise während der Wurm vorwärts kriechen wollte, hörten aber auf zu feuern, wenn der Wurm rückwärts kroch. Die Forscher beobachteten dabei, wie die Aktivitäten anderer Neuronen, welche schnellere Bewegungsabläufe kontrollieren (z. B. Kopfbewegungen), hierarchisch in die langsameren Aktivitätsmuster eingebettet waren. „Interessant war auch die Beobachtung, dass sich Hierarchien eher auf Ebene der Dynamiken von Neuronen widerspiegeln als auf der Ebene ihrer anatomischen Verschaltungen“, sagt Zimmer.

Dies ist eine der ersten Studien, die zeigt, dass eine Hierarchie von neuronalen Aktivitäten eine Hierarchie von Verhaltensweisen kontrolliert. “Es geht hier nicht nur darum, wie ein Wurm durch die Erde kriecht”, betont Zimmer, “sondern um die Prinzipien, nach denen das Gehirn das Verhalten organisiert. Diese Prinzipien lassen vielleicht auch Rückschlüsse auf den Menschen zu, fügt Zimmer hinzu: “Die menschliche Sprache ist ebenfalls hierarchisch organisiert, mit Silben, Wörtern und Sätzen. Möglicherweise könnten dieselben Prinzipien die Spracherzeugung und das Sprachverständnis im menschlichen Gehirn regeln.”

Originalpublikation:
Kaplan HS et al.: Nested neuronal dynamics orchestrate a behavioral hierarchy across timescales. Neuron, 27. November 2019