Wie das Gehirn zwischen Verhaltensweisen umschaltet

Wie schaltet unser Gehirn zwischen verschiedenen Verhaltensweisen um? Eine aktuelle Studie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), des Universitätsklinikums Köln und des Max-Planck-Instituts (MPI) für Stoffwechselforschung liefert nun eine erste Antwort auf diese zentrale neurowissenschaftliche Frage. 

Wir tun am Tag Tausende unterschiedliche Dinge: Wir telefonieren, schreiben Mails, essen, treiben Sport, putzen uns die Zähne. Wie schafft es das Gehirn, zwischen diesen verschiedenen Verhaltensweisen umzuschalten? Diese Frage wird in den Neurowissenschaften momentan intensiv untersucht. Denn wenn diese zentrale Funktion unseres Denkorgans nicht richtig funktioniert, können massive psychische Störungen die Folge sein – Essanfälle, Magersucht oder auch Zwangserkrankungen.

Für das Umschalten zwischen verschiedenen Verhaltensweisen spielt der Hypothalamuseine eine wichtige Rolle: Bei ihm laufen sämtliche wichtigen Körper-informationen zusammen. Zusätzlich wird er vom Rest des Gehirns über die Außenwelt informiert. Er nutzt diese Informationen zum Beispiel, um angeborene Verhaltensweisen wie Nahrungsaufnahme, die Erkundung der Umgebung oder die Kontaktaufnahme zu Artgenossen zu regulieren. Wie aber macht er das?

Um diese Frage zu beantworten, hat ein Tandem von Arbeitsgruppen unter der Leitung von Prof. Alexey Ponomarenko vom Institut für Physiologie und Pathophysiologie an der FAU und Prof. Tatiana Korotkova an der Universitätsklinik Köln und dem MPI für Stoffwechselforschung einige der modernsten Techniken der Neurowissenschaften und der Mathematik kombiniert. Die Forschenden haben sich dazu den Hypothalamus von Mäusen angeschaut. Denn der ist im Prinzip ganz ähnlich aufgebaut wie der des Menschen. „Wir haben die elektrische Aktivität einer bestimmten Region im Hypothalamus mithilfe eines KI-Verfahrens analysiert“, erklärt die Datenwissenschaftlerin Mahsa Altafi, die an der FAU promoviert.

Erstes Ergebnis: Der Hypothalamus schwingt in ß-Oszillation. 20-mal in der Sekunde sind die Nervenzellen in ihm besonders aktiv; dazwischen klingt ihre Aktivität wieder ab. Wie die Forschenden beobachteten, waren manche Zellen waren außerhalb des Grundrhythmus aktiv und feuerten nicht im Takt, sondern kurz davor. Und diese Aktivität bestimmte, welche Handlung als nächstes ausgeführt wurde. „Wir können an dem elektrischen Signal ablesen, zu welchem Verhalten die Mäuse zwei Sekunden später umschalten werden“, erklärt Altafi.

Um herauszufinden, was passiert, wenn die Aktivität außerhalb des Takts unterbleibt, veränderte Changwan Chen, Doktorand am MPI für Stoffwechselforschung und am Universitätsklinikum Köln, die Aktivität der beteiligten Hypothalamus-Neuronen durch Einstrahlung von Licht. Der Effekt war erstaunlich: Die Mäuse verharrten in ihrem momentanen Verhalten, bis die Einstrahlung beendet wurde. Sie interagierten zum Beispiel beharrlich mit ihren Artgenossen, selbst wenn die daran absolut kein Interesse zeigten. „Es war beeindruckend, wie ausdauernd die Tiere dabei waren – selbst dann, wenn die andere Maus versuchte, diesen langanhaltenden Kontaktversuchen zu entfliehen“, erinnert sich Chen.

Die Aktivität außerhalb des Grundrhythmus versetzt den Hypothalamus also offensichtlich in einen Übergangszustand und ermöglicht dadurch, dass die Tiere zu einem anderen Verhalten umschalten. Zu welchem, liegt aber nicht ausschließlich in Verantwortung des Hypothalamus, wie die Wissenschaftler herausfanden: Offensichtlich wird er dabei vom medialen präfrontalen Kortex instruiert. Er wägt zum Beispiel ab, welche Option in einer bestimmten Situation am angebrachtesten ist: Soll ich fressen? Oder soll ich lieber mit einer anderen Maus interagieren oder neue Erlebnisse sammeln?

Um mit dem Hypothalamus zu kommunizieren, schwingt sich der mediale präfrontale Kortex auf dessen Aktivitätsrhythmus ein – er folgt also ebenfalls dem Taktstock der ß-Oszillation. „Seine Signale helfen dem Hypothalamus dann dabei, Übergänge zwischen Verhaltensweisen zu fördern“, erklärt Korotkova von der Universitätsklinik Köln. „Besonders faszinierend ist, dass der Hypothalamus mit der Vorbereitung dieses Übergangs schon zwei Sekunden vor dem tatsächlichen Auftreten beginnt. Wahrscheinlich ist den Mäusen zu diesem Zeitpunkt noch gar nicht bewusst, dass sie zu einem anderen Verhalten umschalten werden.“

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die ß-Oszillation für die Orchestrierung von Myriaden von Neuronen wichtig ist, die bestimmte Verhaltensweisen und den Übergang zwischen ihnen steuern“, sagt erklärt Ponomarenko. „Diese Erkenntnis könnte zur Entwicklung neuer Medikamente und Therapien bei schweren psychiatrischen Störungen beitragen. Davon werden eines Tages auch Patientinnen und Patienten mit Magersucht oder Zwangsneurosen profitieren.“