Thalamus hilft aktiv beim Verdrahten visueller Schaltkreise, zeigt Mausstudie

Der Thalamus wird oft als Relaisstation des Gehirns für die Sinne beschrieben, als ein Knotenpunkt, der Signale aus der Außenwelt sammelt und sie zur Verarbeitung an den Kortex weitergibt. Eine neue Studie legt nahe, dass diese Struktur während der frühen Entwicklung weit mehr tut, als Botschaften weiterzuleiten: Ihre eigene Aktivität scheint beim Aufbau der Schaltkreise zu helfen, die später visuelle Informationen übertragen werden.

Ein Team unter der Leitung von Guillermina López-Bendito am Instituto de Neurociencias (IN), einem gemeinsamen Zentrum des spanischen Nationalen Forschungsrats (CSIC) und der Miguel Hernández Universität Elche (UMH), berichtet, dass der Thalamus eine grundlegende Rolle bei der Organisation visueller Schaltkreise während der Gehirnentwicklung spielt. Die in The Journal of Neuroscience veröffentlichten Ergebnisse, die auf Arbeiten mit Mausmodellen basieren, deuten darauf hin, dass eine Störung der thalamischen Aktivität wichtige Zellpopulationen sowohl im Thalamus als auch im visuellen Kortex verändert.

Eine Relaisstation, die auch die Straße baut

Der Thalamus sitzt im Zentrum der Kommunikation zwischen Sinnesorganen und Großhirnrinde. Entlang des visuellen Pfads sammelt er Eingaben von der Retina und leitet sie an den visuellen Kortex weiter, die Region, die für die Interpretation dessen verantwortlich ist, was wir sehen. Diese Relaisfunktion ist gut belegt. Was die neue Arbeit hinzufügt, ist der Beleg, dass der Thalamus auch ein Architekt des Systems ist, dem er dient.

Laut López-Bendito, die das Labor für Entwicklung, Plastizität und Reprogrammierung sensorischer Schaltkreise am IN CSIC-UMH leitet, zeigen die Ergebnisse, dass der Thalamus nicht einfach ein passiver Kanal für visuelle Signale ist. Stattdessen, so sagt sie, nimmt er aktiv am Aufbau neuronaler Schaltkreise teil, wobei seine Aktivität dazu beiträgt, zu regulieren, wie Interneurone in diese Schaltkreise eingebunden und wie sie verteilt werden – ein Prozess, den sie als wesentlich für eine ordnungsgemäße Entwicklung beschreibt.

Interneurone im Rampenlicht

Die Zellpopulation im Zentrum der Studie sind die Interneurone. Diese Neuronen wirken als Regulatoren, modulieren die Aktivität der umliegenden Schaltkreise und helfen, die neuronale Signalübertragung im Gleichgewicht zu halten. Ihre Anzahl und ihre Platzierung sind wichtig: zu wenige, zu viele oder schlecht positionierte Interneurone können das Verhalten eines Schaltkreises verändern.

Als die Forscher die neuronale Aktivität in ihren Mausmodellen veränderten, beobachteten sie messbare Veränderungen in dieser Population. Die Studie berichtet, dass:

• Die Anzahl der Interneurone im visuellen Thalamus sich verschob, als die thalamische Aktivität modifiziert wurde.
• Die Verteilung dieser Interneurone über den visuellen Thalamus sich ebenfalls änderte.
• Die Organisation der Interneurone im visuellen Kortex ebenfalls beeinflusst wurde.
• Diese Effekte beobachtet wurden, nachdem die Aktivität an verschiedenen Punkten entlang des visuellen Pfads und in verschiedenen Entwicklungsstadien manipuliert worden war.

Zusammengenommen deuten die Beobachtungen auf einen fortlaufenden Dialog zwischen Thalamus und Kortex während der Phase hin, in der das visuelle System zusammengesetzt wird, statt auf einen einseitigen Informationsfluss.

Sehen aufbauen, bevor die Augen sich öffnen

Einer der auffälligeren Aspekte der Entwicklung des visuellen Systems ist, dass sie lange beginnt, bevor ein Tier tatsächlich sehen kann. Embryonen und junge Welpen erhalten noch keine Bilder aus ihrer Umgebung, aber ihre Gehirne sind bereits damit beschäftigt, die Architektur zu organisieren, die diese Bilder später verarbeiten wird.

Während dieser frühen Phasen erzeugen Neuronen spontane Aktivität – intern angetriebene Signalausbrüche, die helfen, neuronale Schaltkreise anzulegen und zu verfeinern. Bei Mäusen finden viele dieser organisierenden Ereignisse statt, bevor die Augen sich öffnen, was die Art zu einem nützlichen System macht, um zu untersuchen, wie Schaltkreise ohne visuelle Erfahrung entstehen.

Die neue Studie baut auf dieser Biologie auf, indem sie fragt, was passiert, wenn diese spontane Aktivität experimentell verändert wird. Statt das thalamische Feuern als Hintergrundrauschen zu behandeln, testeten die Forscher es als aktiven Bestandteil der Schaltkreisbildung.

Wie die Experimente konzipiert wurden

Um die Entwicklungsrolle des Thalamus zu untersuchen, arbeitete das Team mit mehreren Mauslinien, was es ihnen ermöglichte, auf mehr als eine Weise in den visuellen Pfad einzugreifen. Ihr Ansatz umfasste:

• Die Veränderung neuronaler Aktivität an mehreren Punkten entlang des visuellen Pfads.
• Die zeitliche Abstimmung dieser Eingriffe auf verschiedene Fenster während der Entwicklung.
• Die Untersuchung der Konsequenzen für Interneuronpopulationen im visuellen Thalamus.
• Die Verfolgung, wie die Interneuronorganisation im visuellen Kortex darauf reagierte.

Indem sie sowohl Ort als auch Zeitpunkt variierten, konnten die Forscher testen, ob der Einfluss des Thalamus spezifisch oder zufällig war – und die Veränderungen, die sie bei Anzahl und Verteilung der Interneurone feststellten, legen nahe, dass die Aktivität tatsächlich organisierende Bedeutung hat.

Was die Ergebnisse zusammengenommen bedeuten

Die Arbeit ordnet eine Struktur, die typischerweise in funktionellen Begriffen beschrieben wird – was der adulte Thalamus mit sensorischen Daten tut –, neu als entwicklungsbezogenen Akteur eigenen Rechts ein. Wenn thalamische Aktivität dazu beiträgt, zu bestimmen, wie inhibitorische Interneurone eingebunden und angeordnet werden, dann beteiligt sich der Thalamus am Aufbau genau jener Schaltkreise, die er später zur Übertragung visueller Informationen nutzen wird.

Diese Idee hat Auswirkungen darauf, wie Wissenschaftler über den Aufbau sensorischer Systeme im weiteren Sinne denken. Die Schaltkreisbildung wird oft vom Kortex aus nach außen untersucht, wobei der Fokus darauf liegt, wie kortikale Zellen sich selbst organisieren. Diese Studie rückt eine subkortikale Struktur in eine prominentere Position und legt nahe, dass die Entstehung eines gut geordneten visuellen Kortex teilweise von Signalen abhängt, die weiter stromaufwärts entstehen.

Sie ist auch eine Erinnerung daran, dass die Grenzen zwischen „Verdrahtung“ und „Funktion“ im sich entwickelnden Gehirn verschwommen sind. Aktivität, die spontan aussieht, kann strukturelle Arbeit leisten, indem sie lenkt, wo Zellen sich ansiedeln und wie viele von ihnen überleben oder sich in eine bestimmte Region integrieren.

Wie bei jeder Arbeit an Mäusen beschreiben die Ergebnisse ein Modellsystem, und die genauen Mechanismen bei anderen Säugetieren müssten separat untersucht werden. Dennoch ist der visuelle Pfad der Maus ein gut charakterisiertes System, und das Design der Studie – die Manipulation von Aktivität an definierten Orten und Zeiten – gibt den Schlussfolgerungen eine solide experimentelle Grundlage.

Über die Forschung

Die Studie wurde am Instituto de Neurociencias durchgeführt, einem gemeinsamen Zentrum des spanischen Nationalen Forschungsrats (CSIC) und der Miguel Hernández Universität Elche (UMH), und erscheint in The Journal of Neuroscience. Der Artikel wurde von Elena Garrido verfasst, von Swati Mestri bearbeitet und von Robert Egan geprüft, als Teil des redaktionellen Prozesses der Publikation, der Faktenprüfung und Peer Review umfasst. Die in der Berichterstattung über die Arbeit verwendeten Bilder wurden dem Instituto de Neurociencias UMH CSIC und Irene Huerga-Gómez zugeschrieben.

Indem sie zeigen, dass thalamische Aktivität die Anzahl und Verteilung von Interneuronen entlang des sich entwickelnden visuellen Pfads prägt, hat das Team ein wesentliches Puzzleteil dazu beigetragen, wie das Gehirn ein sensorisches System aufbaut – eines, das mit der Arbeit am Sehen lange beginnt, bevor es etwas zu sehen gibt.

Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Medical Xpress. Lesen Sie den Originalartikel.