Wellen von Nervenzellaktivität erzeugen scharfes Sehen im Gehirn

18. Dezember 2003

Wellen von Nervenzellaktivität erzeugen scharfes Sehen im Gehirn

18. Dezember 2003

La Jolla, CA – Nervenzellen, die in spontanen Wellen feuern, erzeugen während einer kurzen, aber kritischen Entwicklungsphase die ersten scharfen visuellen Bilder des Gehirns, haben Forscher des Salk Institute herausgefunden. Die Studie könnte Wege aufzeigen, um Nervenzellenschäden besser zu behandeln und sogar Krankheiten zu behandeln, die später im Leben auftreten, wie z. B. Parkinson.

Frühere Arbeiten von Harvard-Professorin Carla Shatz und anderen haben gezeigt, dass die unreife Netzhaut, bevor sich das Sehvermögen entwickelt, spontan eine koordinierte Kaskade von Nervenzellaktivitäten erzeugt. Diese spontane Aktivität wurde mit der Entwicklung von Verbindungen von beiden Augen im Gehirn in Verbindung gebracht, die für das binokulare Sehen verantwortlich sind. In der jüngsten Studie zeigen Forscher des Salk und der UCSD erstmals, dass diese frühe spontane Aktivität auch entscheidend für die Schaffung präziser Verbindungen im Gehirn ist, die später im Leben eine scharfe Sehkraft gewährleisten. Ohne diese präzisen Verbindungen kann das Gehirn keine scharfe Sicht auf die Welt verarbeiten. Die Studie erscheint in der Ausgabe von Neuron vom 18. Dezember.

Zu wissen, wie sich das Gehirn während der Entwicklung präzise verdrahtet, könnte Hinweise zur Behandlung von Krankheiten liefern, bei denen diese präzise Verschaltung entgleist ist. Nervenverletzungen und Krankheiten mit degenerierten Nervenzellen, wie Parkinson, könnten Ziele für neue Medikamente sein, die aus dieser Forschung hervorgehen.

Dennis O’Leary, Professor für molekulare Neurobiologie, Todd McLaughlin, ein Postdoktorand am Salk, Marla Feller, eine Assistenzprofessorin an der University of California, San Diego und die Promotionsstudentin der UCSD, Christine Torborg, entdeckten, dass während einer kritischen Woche nach der Geburt, bevor Mäusebabys sehen können, sie die Aktivität von retinalen Nervenzellen präzise koordinieren müssen, um eine sogenannte retinotope Karte zu erstellen, die detaillierte Landkarte der Außenwelt im Gehirn, die von der Retina übermittelt wird. Ohne diese Wellen von Nervenzellsignalen hätten Nervenzellen “sehr diffuse Verbindungen zu visuellen Zentren im Gehirn und ihnen fehlt die präzise Anordnung, die für die Erstellung einer genauen Karte und ordnungsgemäßen Sehens erforderlich ist”, sagte O'Leary.

“Diese Studie beantwortete die Frage, wie natürliche koordinierte Aktivität in Nervenzellen detaillierte Karten in den visuellen Verarbeitungszentren des Gehirns erzeugt”, sagte er. “Wir fanden heraus, wie das Gehirn arbeitet, um ein grobes Verbindungsnetzwerk in eine detaillierte Karte umzuwandeln. Diese Arbeit kann uns auch zeigen, wie andere, nicht-visuelle Nervenzellverbindungen im Gehirn hergestellt werden, und kann helfen, bessere Wege zur Wiederherstellung effektiver Nervenzellverbindungen bei Traumata oder degenerativen Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit zu entwickeln.”

Die Aktivität von Nervenzellen im Auge und in den visuellen Bereichen des Gehirns ist zufällig und schnell, bevor das junge Gehirn Licht ausgesetzt wird. Nervenzellen neigen in dieser Phase dazu, ihre Ziele im Gehirn zu “überschießen”, wodurch ein unorganisierter Dschungel von Nervenverbindungen entsteht; während sich das Gehirn entwickelt, organisiert es diese Nervenverbindungen zu einem effizienten Verarbeiter visueller Informationen.

Mithilfe gentechnisch veränderter Mäuse, denen der wichtigste Neurotransmitterrezeptor fehlte, der diese wellenartige Aktivität im Auge koordiniert, konnten O’Leary und seine Kollegen die Nervenzellen identifizieren, die ihre Feuerungsaktivitäten koordinierten, um unnötige Nervenzellverbindungen zu eliminieren. Sobald diese koordinierten Aktivitäten bei normalen Mäusen abgeschlossen waren, blieben dem Gehirn und dem Auge präzise Verbindungen erhalten, und später, wenn das eigentliche Sehen beginnt, konnten ein detailliertes Bild der Umgebung erzeugt werden.

“Die Studie half uns zu beurteilen, wie diese präzisen Karten entstehen”, sagte O’Leary. “Diese Ergebnisse haben viele Auswirkungen, aber am wichtigsten ist, dass wir sehen können, ob Störungen in diesem Prozess möglicherweise zu Sehstörungen beim Menschen führen.”

Die Forschung wurde durch Zuschüsse des National Eye Institute, der Klingenstein-, McKnight- und Whitehall-Stiftungen, des March of Dimes und der National Science Foundation unterstützt.

Das Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Kalifornien, ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation, die sich der Grundlagenforschung in den Biowissenschaften, der Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Lebensbedingungen sowie der Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen widmet. Jonas Salk, M.D., gründete das Institut 1960 mit einem Grundstücksgeschenk der Stadt San Diego und der finanziellen Unterstützung der March of Dimes Birth Defects Foundation.