PROVIDENCE, R.I. – Beta-Rhythmen, d.h. Wellen der Hirnaktivität mit einer Frequenz von etwa 20 Hz, begleiten lebenswichtige grundlegende Verhaltensweisen wie Aufmerksamkeit, Empfindung und Bewegung und werden mit einigen Störungen wie der Parkinsonschen Krankheit in Verbindung gebracht. Wissenschaftler haben darüber debattiert, wie die spontanen Wellen entstehen, und sie haben noch nicht bestimmt, ob die Wellen nur ein Nebenprodukt der Aktivität sind oder eine kausale Rolle bei den Gehirnfunktionen spielen. In einer neuen Arbeit, die von Neurowissenschaftlern der Brown University verfasst wurde, wird nun eine spezifische neue mechanistische Erklärung für Betawellen in Betracht gezogen.

Die neue Theorie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences vorgestellt wurde, ist das Ergebnis mehrerer Beweislinien: externe Hirnstrommessungen von menschlichen Probanden, ausgefeilte Computersimulationen und detaillierte elektrische Aufzeichnungen von zwei Säugetier-Modellorganismen.

„Ein erster Schritt zum Verständnis der kausalen Rolle von Beta im Verhalten oder in der Pathologie, und wie man es für eine optimale Funktion manipulieren kann, besteht darin zu verstehen, woher es auf der Ebene der Zellen und Schaltkreise kommt“, sagte die korrespondierende Autorin Stephanie Jones, außerordentliche Professorin für Neurowissenschaften an der Brown University. „In unserer Studie haben wir mehrere Techniken kombiniert, um dieser Frage nachzugehen, und einen neuen Mechanismus für spontanes neokortikales Beta vorgeschlagen. Diese Entdeckung deutet auf mehrere mögliche Mechanismen hin, durch die sich Beta auf die Funktion auswirkt.“

Wellen erzeugen

Das Team begann damit, externe Magnetoenzephalographie (MEG)-Sensoren zu verwenden, um Beta-Wellen im menschlichen somatosensorischen Kortex, der den Tastsinn verarbeitet, und im inferioren frontalen Kortex, der mit höherer Kognition verbunden ist, zu beobachten.

Sie analysierten die Betawellen genau und stellten fest, dass sie höchstens 150 Millisekunden dauerten und eine charakteristische Wellenform mit einem großen, steilen Tal in der Mitte der Welle aufwiesen.

Die Frage war nun, welche neuronale Aktivität im Kortex solche Wellen erzeugen könnte. Das Team versuchte, die Wellen mithilfe eines Computermodells eines kortikalen Schaltkreises nachzubilden, der aus einer mehrschichtigen kortikalen Säule besteht, die mehrere Zelltypen in verschiedenen Schichten enthält. Wichtig war, dass das Modell einen Zelltyp namens Pyramidenneuronen enthielt, von dem man annimmt, dass seine Aktivität die menschlichen MEG-Aufzeichnungen dominiert.

Sie fanden heraus, dass sie die Form der Betawellen im Modell genau nachbilden konnten, indem sie zwei Arten von erregenden synaptischen Stimulationen an verschiedene Schichten in den kortikalen Zellsäulen abgaben: eine schwache und lang anhaltende an die unteren Schichten, die die stacheligen Dendriten der Pyramidalneuronen in der Nähe des Zellkörpers berührte, und eine stärkere und kürzere, die 50 Millisekunden dauerte (d.h. eine Betaperiode), an die oberen Schichten, eine Beta-Periode), zu den oberen Schichten, die die weiter vom Zellkörper entfernten Dendriten kontaktieren. Der starke distale Antrieb erzeugte das Tal in der Wellenform, das die Beta-Frequenz bestimmt.

In der Zwischenzeit versuchten sie, andere Hypothesen über die Entstehung von Beta-Wellen zu modellieren, waren damit aber nicht erfolgreich.

Mit einem Modell, nach dem man suchen konnte, testete das Team es dann, indem es in zwei Tiermodellen nach einem realen biologischen Korrelat suchte. Das Team analysierte Messungen im Kortex von Mäusen und Rhesusaffen und fand eine direkte Bestätigung, dass diese Art von Stimulation und Reaktion in den Tiermodellen in allen Kortikalschichten auftrat.

„Der ultimative Test der Modellvorhersagen ist die Aufzeichnung der elektrischen Signale im Gehirn“, sagte Jones. „

Beta im Gehirn

Weder die Computermodelle noch die Messungen haben die Quelle der erregenden synaptischen Stimulationen aufgespürt, die die Pyramidenneuronen zur Erzeugung der Betawellen anregen, aber Jones und ihre Mitautoren vermuten, dass sie wahrscheinlich aus dem Thalamus, tiefer im Gehirn, kommen. Die Projektionen aus dem Thalamus befinden sich genau an den richtigen Stellen, um Signale an die richtigen Stellen der Dendriten der Pyramidenneuronen im Kortex zu leiten. Es ist auch bekannt, dass der Thalamus Aktivitätsstöße aussendet, die 50 Millisekunden dauern, wie es die Theorie vorhersagt.

Mit einer neuen biophysikalischen Theorie über die Entstehung der Wellen hoffen die Forscher nun untersuchen zu können, ob Betarhythmen das Verhalten und Krankheiten beeinflussen oder nur widerspiegeln. Jones‘ Team testet nun in Zusammenarbeit mit Christopher Moore, Professor für Neurowissenschaften an der Brown University, die Vorhersagen der Theorie, dass Beta-Wellen die sensorischen oder motorischen Informationsverarbeitungsfunktionen im Gehirn verringern könnten. Neue Hypothesen besagen, dass die Inputs, die Beta erzeugen, auch hemmende Neuronen in den obersten Schichten des Kortex stimulieren können, oder dass sie die Aktivität der Pyramidenneuronen sättigen und dadurch ihre Fähigkeit zur Informationsverarbeitung verringern können; oder dass die thalamischen Bursts, die Beta erzeugen, den Thalamus so stark beanspruchen, dass er keine Informationen an den Kortex weiterleitet.

Dies herauszufinden könnte zu neuen Therapien führen, die auf der Beeinflussung von Beta beruhen, sagte Jones.

„Ein aktives und wachsendes Forschungsgebiet der Neurowissenschaften versucht, die Hirnrhythmen für eine optimale Funktion mit Stimulationstechniken zu manipulieren“, sagte sie. „Wir hoffen, dass unsere neuen Erkenntnisse über den neuronalen Ursprung von Beta dazu beitragen werden, die Forschung zur Beeinflussung von Beta und möglicherweise anderen Rhythmen anzuleiten, um die Funktion bei sensomotorischen Pathologien zu verbessern.“

Der Hauptautor der Studie ist der Brown-Student Maxwell Sherman. Weitere Autoren sind Shane Lee, Robert Law, Saskia Haegens, Catherine Thorn, Matti Hamalainen und Moore.

Die National Science Foundation (Zuschuss: CRCNS-1131850) und die National Institutes of Health (Zuschüsse: MH106174, MH060358, 5T32MH019118-23) finanzierten die Forschung.