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Jochen Staiger - Auf der Suche nach dem Basismodul im Gehirn

Milliarden von Nervenzellen, Billionen von Verbindungen - wie schafft es das Gehirn, die Welt in ihrer Ordnung abzubilden und adäquate Verhaltensweisen zu produzieren? In den unterschiedlichen Arealen des komplexen Organs muss es geordnete Verarbeitungseinheiten geben, die solche Prozesse ermöglichen. Der Neuroanatom Prof. Dr. Jochen Staiger von der Universität Freiburg untersucht die sogenannten Tönnchen im somatosensorischen Cortex von Nagetieren, die eine Körperkarte darstellen, mit denen die „taktile Umwelt“ wahrgenommen werden kann. In dem erstaunlich geordnet strukturierten Gehirnteil sucht er nach dem basalen Schaltkreis, der eine Verbindung zwischen Wahrnehmung und Verhalten erlaubt.

Prof. Dr. Jochen Staiger © privat

“Ich bin von Haus aus Neuroanatom und als solcher habe ich ein großes Faible für Strukturen”, sagt Prof. Dr. Jochen Staiger, Professor für Zellbiologie am Zentrum für Neurowissenschaften der Universität Freiburg. “Als moderner Neuroanatom untersuche ich die Strukturen aber immer auch im Hinblick auf ihre Funktion.” Das Gehirn, das grob betrachtet in verschiedene Teile wie etwa Kleinhirn, Thalamus oder Großhirnrinde aufgeteilt werden kann, enthüllt unter Einsatz der richtigen Methoden auch im Detail einen erstaunlich strukturierten Aufbau.

Als Untersuchungsobjekt hat der 1964 in Karlsruhe geborene Staiger sich den sogenannten somatosensorischen Cortex ausgesucht, über den er 2000 seine Habilitationsschrift verfasst hat. Es handelt sich dabei um jenes Areal des Großhirns, in dem die Information aus den Schnurrhaaren einer Maus oder Ratte verarbeitet wird. Mit entsprechenden Färbemethoden sehen Wissenschaftler hier tönnchenartige Gebilde mit einem Durchmesser von rund 400 Mikrometern. Je ein Tönnchen (im Englischen auch Barrel genannt) liegt wiederum in einer Kolumne der Hirnrinde, die im Querschnitt sichtbar wird und mehrere Schichten des Cortex überspannt. Die Kolumnen liegen nebeneinander und lassen die Hirnrinde unter Einsatz von Färbemethoden gestreift erscheinen. Die Streifen grenzen Neuronenverbände voneinander ab. Und sie bilden auch in funktioneller Hinsicht zusammengehörige Einheiten.

Zu sehen ist eine Zeichnung. Im linken unteren Teil ist eine Maus abgebildet, die mit ihren Schnurrhaaren eine Walnuss abtastet, über der Maus und im rechten Teil des Bildes sind die einzelnen Stationen eingezeichnet, die die Information über verschiedene Gehirnregionen in die tönnchenartigen Bereiche in der Großhirnrinde nimmt.
Die verschiedenen Stationen der Informationsübertragung von den Schnurrhaaren der Maus bis in die Tönnchen in der Großhirnrinde © Prof. Dr. Jochen Staiger

Die kleinste nötige Menge an Nervenzellen

Die Maus oder die Ratte ertastet sich mit ihren Schnurrhaaren die Welt. Jedes Schnurrhaar sendet über mehrere Zwischenstationen im Gehirn seine Meldungen ganz bevorzugt in eine bestimmte Kolumne des somatosensorischen Cortex. Die Tönnchen sind dabei die erste Empfangsstation. Befühlt der Nager etwa die Oberfläche einer Walnuss, dann berühren unterschiedliche Haare auf seiner Schnauze unterschiedliche Bereiche der Schale. Jedes Haar projiziert seine “Erkenntnisse” in sein Tönnchen. Die räumlichen Zusammenhänge bleiben dabei erhalten - Wissenschaftler sprechen von einer kartenähnlichen Abbildung des taktilen Raums im somatosensorischen Cortex. Wahrnehmungsprozesse wie die Unterscheidung zwischen fühlbar (personaler Raum) und nicht fühlbar (extrapersonaler Raum) oder rau und glatt müssen jedoch von Schaltkreisen verarbeitet werden, die nicht nur den Eingang aus den Schnurrhaaren integrieren. Diese Schaltkreise müssen zum einen höhere Abstraktionsstufen berücksichtigen. Außerdem müssen sie auch Verhaltensweisen wie Greifen oder Beißen hervorrufen können. “Was ist die kleinste Menge an Nervenzellen, die Wahrnehmungsprozesse ermöglicht und das auch in Verhalten umwandeln kann”, fragt Staiger. Diese kleinste Menge an Nervenzellen ist das Basismodul, nach dem er sucht und dessen Funktionsweise er aufklären möchte.

Zu sehen sind Hunderte kleiner weiße Punkte gegen einen schwarzen Hintergrund, in der Mitte häufen sie sich und lassen eine ovale Struktur erkennen.
Histologischer Schnitt durch den somatosensorischen Cortex einer Maus. Das Tier hatte zuvor mit einem Schnurrhaar (alle anderen wurden abgeschnitten) eine neue Umgebung für 2 Stunden abgetastet. Dieser Vorgang führt zu einer Hochregulation von Genen (weißliche Flecken, hier: c-fos) in Abhängigkeit der elektrischen Aktivitätsmuster in Nervenzellverbänden. Man kann klar eine Hochregulation in einem säulenförmig organisierten Zellverband (kortikale Kolumne) erkennen. Maßstab: ca. 400 µm © Prof. Dr. Jochen Staiger

Zu diesem Zweck hat der studierte Mediziner mit seiner Arbeitsgruppe eine Methode entwickelt, die ihm extrem zielgerichtete Eingriffe in die Schaltkreise innerhalb und außerhalb bestimmter Kolumnen im somatosensorischen Cortex erlaubt. In Hirnschnitten können die Forscher mittels Lichtblitzen, die sie auf ein extrem kleines Gebiet konzentrieren, zuvor chemisch inaktiviertes Glutamat freisetzen. Glutamat ist ein Neurotransmitter und bringt seinerseits die in dem Fokus liegende Nervenzelle zum Feuern. Damit haben die Forscher einen Schalter in der Hand, mit dem sie ausgewählte Nervenzellen aktivieren können: Ein extrem genaues Verfahren. Mit einer Elektrode können sie in weiter entfernten Bereichen des Hirnschnitts dann messen, an welche Neuronen die Zelle ihre Erregung weiterleitet. Außerdem können sie feststellen, ob sie eher eine hemmende oder eine erregende Wirkung auf ihre Kommunikationspartner hat. Schritt für Schritt können sie damit den Weg bestimmen, den Information innerhalb einer Kolumne und zwischen Kolumnen zurücklegt.

Ein überraschendes Verarbeitungsprinzip

„Viele der von uns auf diese Weise vorhergesagten Verbindungen im somatosensorischen Cortex wurden später auch durch sogenannte Paar-Ableitungen mit zwei Elektroden bestätigt“, sagt Staiger. Der wohl wichtigste Befund von Staiger und seinem Team war, dass es innerhalb der Tönnchen des somatosensorischen Cortex sowohl Zellen gibt, die nur innerhalb des eigenen Tönnchens Information austauschen, als auch welche, die mit benachbarten Regionen kommunizieren. Damit zeigten sie, dass schon auf dieser relativ frühen Ebene der Informationsverarbeitung ein Prinzip zum Tragen kommt, das bisher nur höheren Ebenen zugesprochen worden war. Offenbar werden die Eingänge aus den Schnurrhaaren in den Tönnchen nicht nur lokal abgegrenzt analysiert. Auch eine parallele Integration mit Nachbarregionen ist möglich. Die Information, die in einem bestimmten Bereich des Tastraumes gewonnen wird, wird offenbar von Anfang an in Kontext mit der Information gebracht, die von einem Nachbarfeld stammt.

„Wenn ich ein Objekt abtaste, dann sind sowohl lokale als auch globale Aspekte wichtig“, sagt Staiger. So ist zum Beispiel beim Lesen von Blindenschrift die Anzahl und räumliche Anordnung der jeweils eingeprägten Punkte entscheidend. Auf lange Sicht möchte Staiger das Prinzip der parallelen Informationsverarbeitung in den Tönnchen auch in lebenden Tieren nachweisen. Deshalb ist der Neuroanatom auf der Suche nach Nager-Mutanten, bei denen der somatosensorische Cortex keine Kolumnen aufweist. Ist ein strikt kolumnärer Aufbau notwendig, damit die Tiere rau von glatt oder spitz von stumpf unterscheiden können? „Letztlich verstehe ich mich als Systemneurobiologe“, sagt Staiger. „Mich interessiert immer auch die Frage nach dem Verhalten oder etwa nach Prozessen wie der Wahrnehmung oder der Plastizität und dem Gedächtnis.“

Zellen ein- und ausschalten – ganz nach Bedarf

Vorerst möchte Staiger mit dem Methodenarsenal der sogenannten Optogenetik den Beitrag einzelner Zelltypen zur Informationsverarbeitung besser einschätzen lernen. Mit diesem ganz neuen molekularbiologischen Verfahren können Wissenschaftler in die neuronalen Schaltkreise eingreifen und einzelne Zellen oder kleinere Zellverbände hemmen oder überaktivieren. Es erlaubt, bestimmte Ionenkanäle in definierte Zellen einzuführen und sie durch Lichtpulse am lebenden und sich verhaltenden Tier zu aktivieren. Diese Ionenkanäle stellen damit Schalter dar, mit denen die Forscher ihre Zellen nach Bedarf ein- oder ausschalten können. Noch fehlt der Gruppe das Know-how. Aber inzwischen hat Staiger einen Ruf an die Universität Göttingen bekommen, wo er ab nächstem Jahr die Neuroanatomie leiten wird. Er plant bereits die Zusammenarbeit mit einer dort angesiedelten Arbeitsgruppe, die die Optogenetik beherrscht.

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