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Wie das Gehirn sensorische Informationen von inneren Organen verarbeitet

Zusammenfassung: Eine neue Mausstudie liefert Hinweise darauf, wie das Gehirn sensorische Informationen von inneren Organen verarbeitet, und enthüllt, dass Feedback von Organen verschiedene Cluster von Neuronen im Hirnstamm aktiviert.

Quelle: Harvard

Die meisten von uns denken wenig darüber nach, warum wir uns nach einem großen Feiertagsessen angenehm satt fühlen, warum wir anfangen zu husten, nachdem wir versehentlich Lagerfeuerrauch eingeatmet haben, oder warum uns nach der Einnahme von etwas Giftigem plötzlich übel wird. Solche Empfindungen sind jedoch überlebenswichtig: Sie sagen uns, was unser Körper gerade braucht, damit wir unser Verhalten schnell anpassen können.

Historisch gesehen wurde jedoch nur sehr wenig Forschung auf das Verständnis dieser grundlegenden Körperempfindungen – auch als innere Sinne bekannt – verwendet, die erzeugt werden, wenn das Gehirn Eingaben von inneren Organen empfängt und interpretiert.

Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Forschern der Harvard Medical School neue Fortschritte beim Verständnis der grundlegenden Biologie der inneren Organerfassung gemacht, die eine komplizierte Kaskade der Kommunikation zwischen Zellen im Körper beinhaltet.

In einer an Mäusen durchgeführten und am 8. 31 Zoll Naturverwendete das Team hochauflösende Bildgebung, um räumliche Karten darüber zu enthüllen, wie Neuronen im Hirnstamm auf Rückmeldungen von inneren Organen reagieren.

Sie fanden heraus, dass Feedback von verschiedenen Organen diskrete Cluster von Neuronen aktiviert, unabhängig davon, ob diese Informationen mechanischer oder chemischer Natur sind – und diese Gruppen von Neuronen, die verschiedene Organe repräsentieren, sind im Hirnstamm topographisch organisiert. Darüber hinaus entdeckten sie, dass die Hemmung im Gehirn eine Schlüsselrolle dabei spielt, Neuronen zu helfen, selektiv auf Organe zu reagieren.

„Unsere Studie enthüllt die grundlegenden Prinzipien, wie verschiedene innere Organe im Hirnstamm repräsentiert werden“, sagte Hauptautor Chen Ran, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Zellbiologie an der HMS.

Die Forschung ist nur ein erster Schritt, um aufzuklären, wie innere Organe mit dem Gehirn kommunizieren. Wenn sich die Ergebnisse jedoch bei anderen Arten, einschließlich Menschen, bestätigen, könnten sie Wissenschaftlern helfen, bessere therapeutische Strategien für Krankheiten wie Essstörungen, überaktive Blase, Diabetes, Lungenerkrankungen und Bluthochdruck zu entwickeln, die entstehen, wenn die innere Wahrnehmung schief geht.

„Ich denke, zu verstehen, wie sensorische Eingaben vom Gehirn kodiert werden, ist eines der großen Geheimnisse der Funktionsweise des Gehirns“, sagte Seniorautor Stephen Liberles, Professor für Zellbiologie am Blavatnik Institute der HMS und Forscher am Howard Hughes Medical Institute. “Es gibt Einblicke in die Funktionsweise des Gehirns, um Wahrnehmungen zu erzeugen und Verhaltensweisen hervorzurufen.”

Ungelernt und schlecht verstanden

Seit fast einem Jahrhundert untersuchen Wissenschaftler, wie das Gehirn externe Informationen verarbeitet, um die grundlegenden Sinne des Sehens, Riechens, Hörens, Schmeckens und Fühlens zu bilden, mit denen wir uns in der Welt zurechtfinden. Im Laufe der Zeit haben sie ihre Erkenntnisse zusammengestellt, um zu zeigen, wie die verschiedenen sensorischen Bereiche im Gehirn organisiert sind, um verschiedene Reize darzustellen.

Mitte des 20. Jahrhunderts beispielsweise führte die Berührungsforschung dazu, dass Wissenschaftler den kortikalen Homunkulus für das somatosensorische System entwickelten – eine Illustration, die karikaturartige Körperteile darstellt, die über die Oberfläche des Gehirns drapiert sind, wobei jeder Teil so positioniert ist, dass er sich an der Stelle ausrichtet, an der er sich befindet verarbeitet und je nach Empfindlichkeit maßstabsgetreu gezeichnet.

1981 erhielten die Harvard-Professoren David Hubel und Torsten Wiesel einen Nobelpreis für ihre Sehforschung, in der sie den visuellen Kortex des Gehirns methodisch kartierten, indem sie die elektrische Aktivität einzelner Neuronen aufzeichneten, die auf visuelle Reize reagierten.

Im Jahr 2004 gewann ein weiteres Wissenschaftlerpaar einen Nobelpreis für seine Studien des olfaktorischen Systems, in denen sie Hunderte von olfaktorischen Rezeptoren identifizierten und genau aufdeckten, wie Geruchseingänge in Nase und Gehirn angeordnet sind.

Bis jetzt blieb jedoch der Prozess, durch den das Gehirn Rückmeldungen von inneren Organen wahrnimmt und organisiert, um grundlegende physiologische Funktionen wie Hunger, Sättigung, Durst, Übelkeit, Schmerzen, Atmung, Herzfrequenz und Blutdruck zu regulieren, mysteriös.

„Wie das Gehirn Eingaben aus dem Körper erhält und wie es diese Eingaben verarbeitet, wurde bisher kaum erforscht und verstanden“, sagte Liberles.

Dies liegt vielleicht daran, dass die interne Wahrnehmung komplizierter ist als die externe Wahrnehmung, fügte Ran hinzu. Äußere Sinne, erklärte er, neigen dazu, Informationen in einem einzigen Format zu empfangen. Das Sehen beispielsweise basiert vollständig auf der Wahrnehmung von Licht.

Im Gegensatz dazu übermitteln innere Organe Informationen durch mechanische Kräfte, Hormone, Nährstoffe, Toxine, Temperatur und mehr – jedes davon kann auf mehrere Organe einwirken und sich in mehreren physiologischen Reaktionen niederschlagen. Mechanische Dehnung zum Beispiel signalisiert die Notwendigkeit zu urinieren, wenn sie in der Blase auftritt, führt jedoch zu Sättigung, wenn sie im Magen auftritt, und löst einen Reflex aus, um das Einatmen in der Lunge zu stoppen.

Eine Konstellation von Neuronen

In ihrer neuen Studie konzentrierten sich Liberles, Ran und Kollegen auf eine Hirnstammregion namens Nucleus of the Solitary Tractus oder NTS.

Es ist bekannt, dass das NTS sensorische Informationen von inneren Organen über den Vagusnerv empfängt. Es leitet diese Informationen an höherwertige Gehirnregionen weiter, die physiologische Reaktionen regulieren und Verhaltensweisen erzeugen. Auf diese Weise dient das NTS als internes sensorisches Tor für das Gehirn.

Die Forscher verwendeten eine leistungsstarke Technik namens Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung, die den Kalziumspiegel in einzelnen Neuronen im Gehirn als Proxy für die neuronale Aktivität misst.

Das Team wendete diese Technik auf Mäuse an, die verschiedenen Arten von inneren Organreizen ausgesetzt waren, und verwendete ein Mikroskop, um gleichzeitig die Reaktionen von Tausenden von Neuronen im NTS im Laufe der Zeit aufzuzeichnen. Die resultierenden Videos zeigen Neuronen, die im gesamten NTS aufleuchten, ähnlich wie Sterne, die am Nachthimmel an- und ausgehen.

Herkömmliche Bildgebungstechniken, bei denen eine Elektrode eingeführt wird, um eine kleine Gruppe von Neuronen zu einem einzigen Zeitpunkt aufzuzeichnen, „sind so, als würde man nur ein paar Pixel eines Bildes gleichzeitig sehen“, sagte Ran. „Unsere Technik ist so, als würde man alle Pixel auf einmal sehen, um das gesamte Bild in hoher Auflösung zu enthüllen.“

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Feedback von verschiedenen Organen diskrete Cluster von Neuronen im Hirnstamm aktiviert. Das Bild ist gemeinfrei

Das Team entdeckte, dass Reize in verschiedenen inneren Organen – zum Beispiel im Magen gegenüber dem Kehlkopf – im Allgemeinen unterschiedliche Cluster von Neuronen im NTS aktivierten. Im Gegensatz dazu identifizierten die Forscher mehrere Fälle, in denen mechanische und chemische Reize im selben Organ, die oft dieselbe physiologische Reaktion hervorrufen (wie Husten oder Sättigung), überlappende Neuronen im Hirnstamm aktivierten. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass bestimmte Gruppen von Neuronen der Repräsentation bestimmter Organe gewidmet sein könnten.

Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass die Reaktionen im NTS als räumliche Karte organisiert waren, die sie in Anspielung auf den vor Jahrzehnten entwickelten analogen kortikalen Homunkulus den „viszeralen Homunkulus“ nannten.

Schließlich stellten die Wissenschaftler fest, dass die Signalübertragung von inneren Organen zum Hirnstamm die Hemmung von Neuronen erfordert. Als sie Medikamente einsetzten, um die Hemmung zu blockieren, begannen Neuronen im Hirnstamm auf mehrere Organe zu reagieren und verloren ihre vorherige Selektivität.

Die Arbeit legt den Grundstein für „die systematische Untersuchung der Codierung der inneren Sinne im gesamten Gehirn“, sagte Ran.

Ein Fundament für die Zukunft

Die Ergebnisse werfen viele neue Fragen auf, von denen einige das HMS-Team ansprechen möchte.

Ran interessiert sich für die Frage, wie der Hirnstamm innere sensorische Informationen an übergeordnete Hirnregionen weiterleitet, die die daraus resultierenden Empfindungen wie Hunger, Schmerz oder Durst hervorrufen.

Liberles möchte erforschen, wie das interne Sensorsystem auf molekularer Ebene funktioniert. Insbesondere möchte er die primären Sinnesrezeptoren identifizieren, die mechanische und chemische Reize in Organen wahrnehmen.

Ein weiterer Bereich für zukünftige Forschung ist der Aufbau des Systems während der Embryonalentwicklung. Die neuen Erkenntnisse, sagte Liberles, deuten darauf hin, dass es nicht ausreicht, nur den Neuronentyp zu betrachten. Forscher müssen auch berücksichtigen, wo sich Neuronen im Gehirn befinden.

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„Wir müssen das Zusammenspiel zwischen Neuronentypen und ihren Positionen untersuchen, um zu verstehen, wie die Schaltkreise verdrahtet sind und was die verschiedenen Zelltypen im Kontext verschiedener Schaltkreise tun“, sagte er.

Liberles interessiert sich auch dafür, wie verallgemeinerbar die Ergebnisse auf andere Tiere, einschließlich Menschen, sind. Während viele Sinneswege über Arten hinweg konserviert seien, stellte er fest, dass es auch wichtige evolutionäre Unterschiede gebe. Einige Tiere zeigen zum Beispiel keine grundlegenden Verhaltensweisen wie Husten oder Erbrechen.

Wenn sie sich beim Menschen bestätigen, könnten die Forschungsergebnisse schließlich zur Entwicklung besserer Behandlungen für Krankheiten beitragen, die entstehen, wenn das interne sensorische System versagt.

“Oft treten diese Krankheiten auf, weil das Gehirn abnormale Rückmeldungen von inneren Organen erhält”, sagte Ran. „Wenn wir eine gute Vorstellung davon haben, wie diese Signale im Gehirn differentiell kodiert werden, können wir vielleicht eines Tages herausfinden, wie wir dieses System kapern und die normale Funktion wiederherstellen können.“

Weitere Autoren sind Jack Boettcher, Judith Kaye und Catherine Gallori von HMS.

Finanzierung: Die Arbeit wurde von den National Institutes of Health (Grants DP1AT009497; R01DK122976; R01DK103703), der Food Allergy Science Initiative, einem Leonard and Isabelle Goldenson Postdoctoral Fellowship, der Harvard Brain Science Initiative und der American Diabetes Association unterstützt.

Über diese Neuigkeiten aus der neurowissenschaftlichen Forschung

Autor: Dennis Nelon
Quelle: Harvard
Kontakt: Dennis Nealon–Harvard
Bild: Das Bild ist gemeinfrei

Originalforschung: Uneingeschränkter Zugang.
Eine Gehirnkarte für viszerale Empfindungen“ von Chen Ran et al. Natur


Abstrakt

Eine Gehirnkarte für viszerale Empfindungen

Das Nervensystem verwendet verschiedene Codierungsstrategien, um sensorische Eingaben zu verarbeiten. Zum Beispiel verwendet das olfaktorische System ein großes Rezeptorrepertoire und ist so verdrahtet, dass es verschiedene Gerüche erkennt, während das visuelle System eine hohe Schärfe der Position, Form und Bewegung von Objekten bietet.

Im Vergleich zu externen sensorischen Systemen bleiben Prinzipien, die der sensorischen Verarbeitung durch das interozeptive Nervensystem zugrunde liegen, schlecht definiert.

Hier haben wir ein Zwei-Photonen-Calcium-Bildgebungspräparat entwickelt, um die Repräsentationen innerer Organe im Kern des Solitärtrakts (NTS) zu verstehen, einem sensorischen Tor im Hirnstamm, das vagale und andere Eingaben vom Körper empfängt.

Wir konzentrierten uns auf Stimuli im Darm und in den oberen Atemwegen und beobachteten, dass einzelne NTS-Neuronen darauf abgestimmt sind, Signale von bestimmten Organen zu erkennen, und dass sie auf der Grundlage der Körperposition topographisch organisiert sind. Darüber hinaus konvergieren einige mechanosensorische und chemosensorische Eingaben aus demselben Organ zentral.

Sensorische Eingaben greifen spezifische NTS-Domänen mit definierten Orten ein, die jeweils heterogene Zelltypen enthalten. Räumliche Repräsentationen verschiedener Organe werden im NTS über das hinaus geschärft, was durch die vagale Axonsortierung allein erreicht wird, da die Blockade der Hirnstammhemmung die neurale Abstimmung erweitert und die viszeralen Repräsentationen desorganisiert.

Diese Ergebnisse zeigen grundlegende organisatorische Merkmale, die vom Gehirn verwendet werden, um interozeptive Eingaben zu verarbeiten.

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