Reciprocal feedback inhibition and divergent intrinsic firing properties between behaviorally defined classes of neurons in the mouse ventromedial hypothalamus

Stellen Sie sich Ihr Gehirn als ein hochmodernes Sicherheitssystem für eine Burg vor. Wenn sich ein Fremder den Toren nähert, muss dieses System blitzschnelle Entscheidungen treffen: Laden wir ihn ein, halten wir stand oder rennen wir um unser Leben? Dabei geht es nicht nur um die menschliche Sicherheit; es ist ein Überlebensinstinkt, den fast jedes Tier teilt. Tief im Inneren des Gehirns gibt es eine winzige Region namens Hypothalamus, die wie die Kommandozentrale für diese „Kampf-oder-Flucht“-Reaktionen fungiert. Wissenschaftler wissen seit langem, dass dieser Bereich Tieren hilft zu entscheiden, ob sie einen Rivalen angreifen oder vor einem Fressfeind fliehen sollen. Aber lange Zeit war der genaue Schaltplan, wie diese Entscheidung zustande kommt, ein Rätsel. Es war, als wüsste man, dass ein Lichtschalter eine Lampe steuert, aber man verstünde nicht die Kabel innerhalb der Wand, die das Licht an- oder ausschalten.

Kürzlich entdeckten Forscher zwei spezifische Arten von „Sicherheitswächtern“ (Neuronen) in einem Teil dieser Kommandozentrale, der VMHvl genannt wird. Eine Art, die „Assessment“-Neuronen (Bewertungs-Neuronen), wird aktiv, wenn ein Tier eine Bedrohung prüft, wie etwa eine Maus, die einen Käfig beschnuppert. Die andere Art, die „Flight“-Neuronen (Flucht-Neuronen), bleibt während der Prüfung ruhig und wird in dem Moment, in dem das Tier beschließt zu rennen, plötzlich extrem aktiv. Die große Frage war: Wie schaltet das Gehirn so augenblicklich von „Prüfen“ auf „Rennen“ um? Ein früheres Computermodell deutete darauf hin, dass diese beiden Arten von Neuronen auf eine bestimmte Weise miteinander verbunden sein könnten, wie eine Wippe, bei der die eine Seite nach unten drückt, während die andere nach oben schnellt, was einen scharfen Umschaltmoment erzeugt.

In dieser neuen Studie setzten sich Wissenschaftler zum Ziel, diese Idee zu testen, indem sie die tatsächlichen elektrischen Signale dieser Neuronen in echten Mäusen aufzeichneten, während diese mit einem Rivalen interagierten. Sie bauten eine spezielle kreisförmige Rennbahn, die es den Mäusen ermöglichte, frei zu jagen und zu fliehen, was ihnen eine perfekte Sicht auf den Entscheidungsprozess ermöglichte. Sie bestätigten, dass die zwei Arten von Neuronen exakt wie vorhergesagt existieren. Als sie jedoch untersuchten, wie diese Neuronen miteinander vernetzt sind, fanden sie etwas Überraschendes. Das „Wippen“-Modell sagte voraus, dass die Neuronen auf eine einseitige, einseitig gerichtete Straße der Hemmung (Inhibition) verbunden wären (wo der eine Typ den anderen aktiv abschaltet). Die Daten zeigten jedoch, dass die Verbindungen tatsächlich ausgewogener waren als erwartet. Anstatt eines seltsamen Verkabelungstricks fanden die Wissenschaftler heraus, dass die zwei Arten von Neuronen von innen heraus unterschiedlich aufgebaut sind. Die „Flight“-Neuronen sind wie Hochgeschwindigkeits-Sportwagen, die blitzschnell beschleunigen und stoppen können, während die „Assessment“-Neuronen eher wie stetige Gleiter sind. Dieser Unterschied in ihren internen „Motoren“, komb)^{-iniert mit einem standardmäßigen System gegenseitiger Hemmung, ist es, was wahrscheinlich den scharfen Wechsel von „Prüfen“ zu „Rennen“ bewirkt. Es stellt sich heraus, dass das Gehirn keinen komplizierten, einseitigen Schalter braucht, um eine Entscheidung über Leben und Tod zu treffen; manchmal braucht es nur zwei verschiedene Arten von Motoren, die zusammenarbeiten.

Die Geschichte der blitzschnellen Entscheidung einer Maus

Das Setup: Eine kreisförmige Verfolgung
Um diese Neuronen bei der Tat zu ertappen, mussten die Forscher kreativ werden. Die meisten früheren Experimente nutzten kleine Käfige, in denen Mäuse nicht richtig wegrennen konnten. Deshalb baute das Team eine riesige, kreisförmige Rennbahn – wie eine Laufbahn für Mäuse – auf, auf der zwei Mäuse einander frei jagen konnten. Eine Maus war der „Aggressor“ (ein hartnäckiger, aggressiver Typ) und die andere der „Tester“. Der Tester näherte sich dem Aggressor, schnupperte herum (die „Assessment“-Phase) und wenn es zu beängstigend wurde, stürmte er auf die andere Seite der Bahn. Durch das Aufzeichnen der elektrischen Signale aus dem Gehirn des Testers während dieser Verfolgungen konnten die Wissenschaftler beobachten, wie die Neuronen in Echtzeit feuerten.

Die Besetzung: Assessment vs. Flight
Wie erwartet fanden die Wissenschaftler zwei Hauptgruppen von Neuronen im VMHvl:

1. Assessment+-Neuronen: Dies waren die „neugierigen Detektive“. Sie feuerten schnell, während die Maus die Bedrohung erschnüffelte und untersuchte. Doch in dem Moment, in dem die Maus beschloss zu rennen, schalteten sich diese Neuronen plötzlich ab.
2. Flight+-Neuronen: Dies waren die „Panikknöpfe“. Sie blieben ruhig, während die Maus die Umgebung prüfte. Aber in dem Augenblick, in dem die Maus losstürmte, explodierte ihre Aktivität förmlich.

Interessanterweise taten die „Flight“-Neuronen nicht nur nur „laufen“; sie schienen zu kontrollieren, wie schnell die Maus rannte. Je aktiver die Flight-Neuronen waren, desto schneller floh die Maus. Dies deutet darauf hin, dass sie nicht nur sagen „lauf“, sondern „lauf wirklich schnell“.

Das Verkabelungsrätsel: Ist es eine Wippe?
Ein von anderen Wissenschaftlern entwickeltes Computermodell hatte vorhergesagt, dass diese zwei Neuronentypen auf eine sehr spezifische, einseitige Weise miteinander verbunden sind. Das Modell suggerierte, dass die „Assessment“-Neuronen möglicherweise stark durch die „Flight“-Neuronen unterdrückt werden, was einen scharfen, einseitigen Schalter erzeugt, der das Gehirn zwingt, von „Prüfen“ auf „Flucht“ umzuschalten.

Die Forscher nutzten eine geschickte Technik namens „Optogenetik“, um dies zu testen. Sie verwendeten Licht, um spezifische Neuronen zu aktivieren und zu sehen, wie die anderen reagierten. Sie fanden heraus, dass die Neuronen zwar miteinander verbunden waren und sich gegenseitig hemmten (wenn eines feuerte, wurde das andere ruhig), aber sie fanden nicht die einseitige, einseitig gerichtete Unterdrückung, die das Modell vorhergesagt hatte. Die Hemmung zwischen den beiden Gruppen war tatsächlich recht symmetrisch. Die „Assessment“-Neuronen wurden durch die „Flight“-Neuronen nicht stärker erdrückt als umgekehrt.

Das wahre Geheimnis: Unterschiedliche Motoren
Wenn nicht die Verkabelung das Geheimnis war, was dann? Die Antwort lag in der eigenen internen Mechanik der Neuronen. Die Forscher untersuchten, wie diese Neuronen von selbst feuerten, ohne äußere Hilfe.

• Flight+-Neuronen erwiesen sich als „bursty“ (stoßweise aktiv). Sie feuerten in schnellen, scharfen Schüben und konnten ihre Geschwindigkeit sehr schnell ändern. Ihr interner Rhythmus klang schnell ab, wie ein Trommelschlag, der abrupt endet.
• Assessment+-Neuronen waren eher „stetig“. Sie feuerten in einem langsameren, unregelmäßigeren Muster und brauchten länger, um nach dem Feuern zur Ruhe zu kommen.

Die Wissenschaftler schlagen vor, dass dieser Unterschied in ihren „internen Motoren“ der eigentliche Schlüssel ist. Selbst wenn die beiden Arten von Neuronen auf eine ausgewogene Weise verbunden sind, sind die „Flight“-Neuronen einfach darauf ausgelegt, schneller und explosiver zu reagieren. Wenn die Bedrohung zu groß wird, erlaubt die natürliche Geschwindigkeit der „Flight“-Neuronen ihnen, den Schaltkreis zu übernehmen, die „Assessment“-Neuronen abzuschalten und die Flucht auszulösen.

Was das bedeutet
Diese Studie verändert die Art und Weise, wie wir über die Entscheidungsfindung des Gehirns denken. Sie legt nahe, dass das Gehirn nicht immer eine komplexe, einseitige Verkabelung benötigt, um einen plötzlichen Wechsel herbeizuführen. Manchmal liegt das Geheimnis einfach darin, zwei verschiedene Arten von Zellen mit unterschiedlichen natürlichen Geschwindigkeiten zusammenzubringen. Die „Assessment“-Neuronen übernehmen das sorgfältige Prüfen, und die „Flight“-Neuronen sind mit ihrer schnell reagierenden Natur bereit, das System im Moment der Not in den „Flucht“-Modus zu katapultieren. Es ist eine Erinnerung daran, dass die dramatischsten Veränderungen im Verhalten manchmal aus den einfachsten Unterschieden in der Bauweise unserer Gehirnzellen resultieren.