In einer wissenschaftlichen Studie haben Forscher der Lehigh University erstmals den physiologischen Nachweis erbracht, dass ein allgegenwärtiges Neuromodulationssystem – eine Gruppe von Neuronen, die die Funktion von spezialisierteren Neuronen regulieren – die Schallverarbeitung in einer wichtigen auditorischen Region des Gehirns stark beeinflusst.
Dieser Neuromodulator, Acetylcholin, kann sogar dem Hauptschaltkreis des auditorischen Gehirns helfen, Sprache von Lärm zu unterscheiden.
Während der Einfluss dieser Modulatoren bislang überwiegend auf der Ebene des Neokortex, wo die komplexesten Berechnungen des Gehirns stattfinden, untersucht wurde, ist er auf den grundlegenderen Ebenen des Gehirns nur selten untersucht worden.
Die vorliegende Forschungsarbeit wurde von R. Michael Burger, Professor für Neurowissenschaften an der Lehigh University und Chao Zhang von der Lehigh University zusammen mit den Forschern Nichole Beebe und Brett Schofield von der Northeast Ohio Medical University und Michael Pecka von der Ludwig-Maximilians-Universität München durchgeführt.
Durch diese Studie wird wahrscheinlich das Augenmerk des Fachgebiets auf die Frage gelenkt, auf welche Weise neuronale Schaltkreise wie dieser, der weithin als „einfach“ gilt, in Wirklichkeit hochkomplex sind und wie höhere Hirnregionen einem modulierenden Einfluss unterliegen, so die Forscher.
Die Wissenschaftler führten elektrophysiologische Experimente und Datenanalysen durch, um zu zeigen, dass die Zufuhr des Neurotransmitters Acetylcholin, eines allgegenwärtigen Neuromodulators im Gehirn, die Kodierung akustischer Informationen durch den medialen Nukleus des Trapezkörpers (MNTB) beeinflusst, der wichtigsten Quelle für die Hemmung mehrerer Schlüsselkerne im unteren auditorischen System.
MNTB-Neuronen wurden bisher als rechnerisch einfach angesehen, angetrieben durch eine einzige große exzitatorische Synapse und beeinflusst durch lokale inhibitorische Eingänge. Das Forscherteam konnte zeigen, dass zusätzlich zu diesen Eingangssignalen eine Acetylcholin-Modulation die neuronale Unterscheidung von Tönen und Geräuschreizen verbessert, was zur Verarbeitung wichtiger akustischer Signale wie Sprache beitragen kann. Ferner beschreiben die Forscher neue anatomische Projektionen, die Acetylcholin-Eingänge zum MNTB liefern.
R. Michael Burger, Professor für Neurowissenschaften an der Lehigh University untersucht den Schaltkreis von Neuronen, die miteinander „verdrahtet“ sind, um die spezialisierte Funktion der Berechnung der Orte, von denen Töne im Raum ausgehen, auszuführen. Er beschreibt die Neuromodulatoren als breitere, weniger spezifische Schaltkreise, die die hochspezialisierten überlagern.
Durch diese Modulation scheinen nach Ansicht von Burger diese Neuronen schwache Signale im Rauschen erkennen zu können. Man kann sich diese Modulation so vorstellen, als würde man die Position einer Antenne verschieben, um das Rauschen eines Radiosenders zu beseitigen.
In der vorliegenden wissenschaftlichen Arbeit zeigen die Forscher, dass modulatorische Schaltkreise eine tiefgreifende Wirkung auf die Neuronen in den Schaltkreisen zur Schalllokalisierung haben, und zwar auf einer sehr niedrigen, grundlegenden Ebene des auditorischen Systems.
Des Weiteren haben die Forscher im Rahmen dieser Studie zum ersten Mal eine Reihe von völlig unbekannten Verbindungen im Gehirn zwischen den modulatorischen Zentren und diesem wichtigen Bereich des auditorischen Systems identifiziert.
Nach Ansicht von Burger und Zhang könnten diese Forschungsergebnisse ein neues Licht auf den Beitrag der Neuromodulation zu grundlegenden Berechnungsprozessen in den Schaltkreisen des auditorischen Hirnstamms werfen. Ferner haben sie auch Auswirkungen auf das Verständnis, wie andere sensorische Informationen im Gehirn verarbeitet werden.
Die Forschungsergebnisse der Wissenschaftler wurden in einem Artikel mit dem Titel Endogenous Cholinergic Signaling Modulates Sound-evoked Responses of the Medial Nucleus of the Trapezoid Body“ beschrieben, der in dem Fachblatt Journal of Neuroscience veröffentlicht wurde.
(Quellen: JNeurosci: The Journal of Neuroscience / Lehigh University / Funder: NIH/NIDCD, NIH)
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