Der Teil des Gehirns, der Bewegungen steuert, leitet auch Gefühle | Quanta-Magazin

In den letzten Jahrzehnten hat die Neurowissenschaft einige erstaunliche Fortschritte gemacht, und dennoch bleibt ein wichtiger Teil des Gehirns ein Rätsel. Ich beziehe mich auf das Kleinhirn, so benannt nach dem lateinischen Wort für „kleines Gehirn“, das sich wie ein Brötchen im hinteren Teil des Gehirns befindet. Das ist kein kleines Versehen: Das Kleinhirn enthält drei Viertel aller Neuronen des Gehirns, die im Gegensatz zu dem verworrenen Neuronendickicht anderswo in einer fast kristallinen Anordnung organisiert sind.

Artikel aus der Enzyklopädie und Lehrbücher unterstreichen die Tatsache, dass die Funktion des Kleinhirns darin besteht, Körperbewegungen zu kontrollieren. Dass das Kleinhirn diese Funktion hat, steht außer Frage. Doch Wissenschaftler vermuten nun, dass diese seit langem bestehende Ansicht kurzsichtig ist.

Zumindest habe ich das im November in Washington, D.C. erfahren, als ich die besuchte Jahrestagung der Society for Neuroscience, das größte Treffen von Neurowissenschaftlern weltweit. Dort organisierten zwei Neurowissenschaftler eine Symposium über neu entdeckte Funktionen des Kleinhirns, die nichts mit der motorischen Kontrolle zu tun haben. Neue experimentelle Techniken zeigen, dass das Kleinhirn nicht nur Bewegungen kontrolliert, sondern auch komplexe Verhaltensweisen, soziale Interaktionen, Aggression, Arbeitsgedächtnis, Lernen, Emotionen und mehr reguliert.

Ein Riss in der dominanten Weisheit

Der Zusammenhang zwischen Kleinhirn und Bewegung ist seit dem 19. Jahrhundert bekannt. Patienten mit einem Trauma der Gehirnregion hatten offensichtlich Schwierigkeiten mit dem Gleichgewicht und der Bewegung, was keinen Zweifel daran ließ, dass diese für die Bewegungskoordination von entscheidender Bedeutung waren. Im Laufe der Jahrzehnte haben Neurowissenschaftler ein detailliertes Verständnis dafür entwickelt, wie die einzigartigen neuronalen Schaltkreise des Kleinhirns die motorischen Funktionen steuern. Die Erklärung, wie das Kleinhirn funktioniert, schien wasserdicht.

Dann, 1998, in der Zeitschrift Gehirn, berichteten Neurologen weitreichende emotionale und kognitive Behinderungen bei Patienten mit Schädigung des Kleinhirns. Beispielsweise war 1991 eine 22-jährige Studentin beim Eislaufen gestürzt; Eine CT-Untersuchung ergab einen Tumor in ihrem Kleinhirn. Nachdem es operativ entfernt wurde, war sie ein völlig anderer Mensch. Die kluge Studentin hatte ihre Fähigkeit verloren, kompetent zu schreiben, Kopfrechnen zu können, alltägliche Gegenstände zu benennen oder ein einfaches Diagramm zu kopieren. Ihre Stimmung verflachte. Sie versteckte sich unter der Bettdecke und benahm sich unangemessen, indem sie sich auf den Fluren auszog und in Babysprache sprach. Auch ihre sozialen Interaktionen, darunter das Erkennen bekannter Gesichter, waren beeinträchtigt.

Dieser und ähnliche Fälle gaben den Autoren Rätsel auf. Es wurde angenommen, dass diese hochgradigen kognitiven und emotionalen Funktionen in der Großhirnrinde und im limbischen System angesiedelt sind. „Was genau diese Rolle des Kleinhirns ist und wie das Kleinhirn sie erfüllt, muss noch geklärt werden“, schlussfolgerten sie.

Trotz dieser Hinweise aus klinischen Studien, dass die konventionelle Meinung auf dem falschen Weg war, bestanden führende Experten immer noch darauf, dass die Funktion des Kleinhirns darin bestehe, Bewegungen zu kontrollieren und nicht mehr. „Es ist irgendwie traurig, weil es 20 Jahre her ist [seit diese Fälle gemeldet wurden]“, sagte er Diasynou Fioravante, ein Neurophysiologe an der University of California, Davis, der das Konferenzsymposium mitorganisierte.

Andere Neurologen hätten schon immer neuropsychiatrische Defizite bei ihren Patienten festgestellt, sagte der Neurowissenschaftler Stephanie Rudolph vom Albert Einstein College of Medicine, der das Symposium gemeinsam mit Fioravante organisierte. Es gab jedoch keine eindeutigen anatomischen Beweise dafür, wie die einzigartigen neuronalen Schaltkreise des Kleinhirns möglicherweise die berichteten psychologischen und emotionalen Funktionen regulieren könnten, sodass die klinischen Berichte übersehen wurden.

Ein besseres Verständnis der Schaltkreise des Kleinhirns beweist nun, dass diese Fallstudien richtig und die vorherrschende Weisheit falsch ist.

Präzisionsverkabelung

Das Verdrahtungsmuster im Kleinhirn ist präzise organisiert und kompakt, um drei Viertel der Neuronen des Gehirns in einem 4-Zoll-Lappen zu konzentrieren. Der wichtigste Neuronentyp im Kleinhirn, die sogenannte Purkinje-Zelle, ist weit verzweigt wie eine Fächerkoralle, jedoch abgeflacht und nahezu zweidimensional. Die Flügel des Ventilators sind die Dendriten des Neurons, die eingehende Signale empfangen. Diese flachen Neuronen sind parallel angeordnet, als ob Millionen von Fächerkorallen in einem dichten Bündel übereinander gestapelt wären. Tausende winziger Neuronen führen Axone – die Übertragungskabel des Gehirns für elektrische Impulse – senkrecht durch den Dendritenstapel, wie Fäden in einem Webstuhl. Jedes Axon ist mit den Dendriten Zehntausender Purkinje-Zellen verbunden.

Dieses Maß an Interkonnektivität verleiht den 50 Milliarden Neuronen des Kleinhirns eine erstaunliche Integrationsfähigkeit. Dieser Schaltkreis, der nur im Kleinhirn vorkommt, kann enorme Mengen an von den Sinnen eingehenden Daten verarbeiten, um Körperbewegungen zu regulieren. Die fließende Bewegung einer Ballerina, die über die Bühne springt, erfordert, dass das Kleinhirn Informationen aller Sinne schnell verarbeitet und dabei die veränderte Position der Gliedmaßen verfolgt, das Gleichgewicht aufrechterhält und den Raum, durch den sich der Körper bewegt, kartiert. Das Kleinhirn nutzt diese dynamischen Informationen, um Muskeln mit präzisem Timing zu steuern, und zwar im richtigen sozialen Kontext, angetrieben von Emotionen und Motivation.

Fioravante und Rudolph erzählten mir, dass Neurowissenschaftler jetzt erkennen, dass die leistungsstarken neuronalen Schaltkreise im Kleinhirn, die Informationen für Körperbewegungen integrieren, es auch in die Lage versetzen, komplexe mentale Prozesse und Verhaltensweisen zu bewältigen.

„Im Moment stellen Sie beispielsweise Fragen, und wir geben Antworten“, erklärte Rudolph, als wir uns vor Beginn des Symposiums unterhielten. Das ist ein komplexes Verhalten.“ Sie musste meine Rede verstehen, eine Antwort formulieren und dann ihre Muskeln einsetzen, um Worte hervorzubringen. Sie musste auch meine Körpersprache und andere subtile Signale wahrnehmen. „Sie nicken zum Beispiel gerade, daher kann ich daraus schließen, dass Sie zuhören und interessiert sind“, sagte sie.

Ich hatte die Komplexität der motorischen Steuerung, die für das Sprechen erforderlich ist, vorher nicht vollständig verstanden. Die Körperlichkeit umfasst nicht nur die komplizierte Gymnastik von Zunge und Lippen – um Geräusche zu erzeugen sowie Tonhöhe und Lautstärke anzupassen –, sondern auch die Gestikulation. Unsere Worte sind so getimt, dass wir nicht über die andere Person reden, und sie sind auf den sozialen Kontext abgestimmt: mit den richtigen Emotionen erfüllt und von Motivation, Gedanken, Vorfreude und Stimmung angetrieben.

Um diese vielfältigen Funktionen zu koordinieren, muss nahezu alles genutzt werden, was das Gehirn tut – von der Regulierung der Herzfrequenz und des Blutdrucks, die in tiefen Hirnregionen durchgeführt wird, bis hin zur Verarbeitung sensorischer und emotionaler Informationen, die vom limbischen System durchgeführt wird. Es erfordert auch die Auseinandersetzung mit den höchsten kognitiven Funktionen des Verständnisses, der Hemmung und der Entscheidungsfindung in der präfrontalen Großhirnrinde.

Damit das Kleinhirn dies tun kann, müsste es über Verbindungen verfügen, die sich über das gesamte Gehirn erstrecken. Bisher fehlten Beweise dafür, aber neue Techniken decken diese Wege auf.

Ein Zentrum für sensorischen Input

Als Neuroanatomen noch vor wenigen Jahrzehnten das Gehirn kartierten, konnten sie keine direkten Verbindungen vom Kleinhirn zu Gehirnregionen finden, die Emotionen und Kognition steuern, wie zum Beispiel dem limbischen System und dem präfrontalen Kortex. Dies ließ sie glauben, dass das Kleinhirn etwas isoliert und an diesen höheren kognitiven Funktionen nicht beteiligt sei. Aber genauso wie Banditen einem Peilsender ausweichen könnten, indem sie das Fahrzeug wechseln, können neuronale Signale von einem Neuron zum nächsten springen. Diese Undercover-Aktion brachte Neuroanatomen aus der Spur des Kleinhirns.

Neue Methoden haben es Neuroanatomen ermöglicht, diese Bahnen vom Kleinhirn über Relaispunkte hinweg zu verfolgen und ihnen durch das gesamte Gehirn zu folgen. Forscher können beispielsweise Tollwutviren in Neuronen einpflanzen, um genau zu sehen, mit welchen anderen Neuronen sie in Kontakt kommen. Sie haben fluoreszierende Proteine ​​gentechnisch so verändert, dass sie aufleuchten, wenn ein neuronaler Impuls ausgelöst wird, sodass sie den Verkehrsfluss in neuronalen Schaltkreisen sehen können. Sie können auch Spuren verfolgen, die der neuronale Verkehr hinterlässt: Das Auftreten von Proteinen, die beim Feuern eines Neurons entstehen, kann dabei helfen, alle Zellen zu identifizieren, die in einem neuronalen Netzwerk kommunizieren, wenn ein bestimmtes Verhalten ausgeführt wird.

Auf dem Symposium präsentierten die Forscher eine Reihe faszinierender neuer Erkenntnisse, die durch diese neuen Methoden gewonnen wurden und ihr wachsendes Verständnis des Kleinhirns belegen.

Jessica Verpeut von der Arizona State University berichteten über Daten, die das komplizierte und ausgedehnte Netzwerk von Kleinhirnverbindungen beschreiben, die im gesamten Gehirn von Mäusen aktiviert werden, wenn sie Kontakte knüpfen oder lernen, sich durch ein Labyrinth zu bewegen.

Rudolph teilte Experimente mit, die zeigten, dass das mütterliche Verhalten, das an weiblichen Mäusen untersucht wurde, die sich um ihre Jungen kümmerten, durch Hormone beeinflusst wurde, die auf das Kleinhirn wirken, insbesondere das Hormon Oxytocin, das die mütterliche Bindung fördert. Als dieser Mechanismus experimentell gestört wurde, kümmerte sich die Mutter nicht mehr um ihre Jungen.

Yi-Mei Yang von der University of Minnesota zeigte, dass Mäuse das Interesse an der Auseinandersetzung mit unbekannten Mäusen verloren, die in ihren Käfig eingeführt wurden, als sie bestimmte Neuronen des Kleinhirns störte. Sie hatten jedoch keine Schwierigkeiten, mit neuartigen unbelebten Objekten zu interagieren und sich daran zu erinnern. Dies deutete auf ein Defizit im komplexen Gedächtnis für soziale Anerkennung hin, ähnlich dem, was autistische Menschen erleben.

Tatsächlich ist das Kleinhirn bei autistischen Menschen oft kleiner Alexandra Badura vom Erasmus University Medical Center in Rotterdam präsentierten neue Daten, die darauf hindeuten, dass das Kleinhirn an Autismus beteiligt ist, da es ein Knotenpunkt für sensorische Eingaben ist, insbesondere für Signale im Zusammenhang mit sozialen Kontexten.

Diese neue Forschung geht über Mausstudien hinaus. Andreas Thieme vom Universitätsklinikum Essen in Deutschland stellte einen neuen klinischen Test vor, mit dem emotionale und kognitive Beeinträchtigungen durch Kleinhirnschäden genau diagnostiziert werden können.

Diese neuen, bahnbrechenden Studien zeigen, dass das Kleinhirn nicht nur die Bewegung kontrolliert, sondern auch komplexes soziales und emotionales Verhalten reguliert. Um diesen globalen Einfluss zu erreichen, muss das Kleinhirn ein Datenverarbeitungszentrum mit Verbindungen im gesamten Gehirn sein. Kein Wunder, dass es so viele Neuronen hat. Um diese hochrangige Befehls- und Kontrollfunktion aus eigener Kraft zu erfüllen, muss es tatsächlich ein kleines Gehirn sein.