Basolateral amygdala neurons await oscillatory recruitment into valence-relevant ensembles

Die Fähigkeit des Gehirns zu entscheiden, ob eine Situation sicher oder gefährlich ist, ist eine Frage von Leben und Tod. Dieser Prozess, bekannt als Valenzverarbeitung, ermöglicht es einem Tier, eine Erfahrung schnell als gut oder schlecht einzustufen und dann entsprechend zu handeln – entweder einer Belohnung entgegenzusteuern oder vor einer Bedrohung zu fliehen. Während dieser Überlebensmechanismus essenziell ist, haben Wissenschaftler lange Zeit damit gerungen, die präzise elektrische Maschinerie zu verstehen, die dies bewirkt. Jahrelang konzentrierte sich die Forschung auf zwei separate Hinweise. Ein Forschungszweig untersuchte spezifische Gruppen von Neuronen, sogenannte Ensembles, die aufleuchten, wenn ein Tier etwas Furchtevolles oder etwas Belohnendes lernt. Ein anderer Forschungszweig untersuchte rhythmische elektrische Wellen, die durch das Gehirn ziehen, bekannt als Oszillationen, welche ihre Geschwindigkeit ändern, je nachdem, ob das Tier Angst oder Sicherheit empfindet. Bis jetzt blieben diese beiden Hinweise voneinander getrennt. Die Forscher wussten, dass spezifische Gehirnzellen an Lernprozessen beteiligt sind und dass spezifische Gehirnwellen an emotionalen Zuständen beteiligt sind, aber sie wussten nicht, wie die Wellen tatsächlich die richtigen Zellen rekrutieren, um die Arbeit verrichten zu lassen.

Ein Team von Forschern der Tufts University School of Medicine hat nun diese Lücke geschlossen, indem es zeigte, wie diese rhythmischen Wellen wie ein Dirigent wirken, der spezifische Neuronengruppen auswählt, um an emotionalen Erinnerungen teilzunehmen. Sie konzentrierten sich auf eine Region des Gehirns namens basolateraler Amygdala, ein kritischer Knotenpunkt für die Verarbeitung von Emotionen. Unter Verwendung fortschrittlicher Werkzeuge, um Gehirnzellen in Echtzeit zu beobachten und sie mit präzisen elektrischen Rhythmen zu stimulieren, entdeckte das Team, dass einzelne Neuronen nicht nur passive Teilnehmer sind. Stattdessen besitzen sie eine inhärente Sensitivität gegenüber spezifischen Frequenzen elektrischer Aktivität. Genau wie ein Radioempfänger darauf abgestimmt ist, einen bestimmten Sender aufzufangen, während er andere ignoriert, sind diese Gehirnzellen von Natur aus darauf abgestimmt, auf spezifische rhythmische Muster zu reagieren. Die Forscher fanden heraus, dass, wenn das Gehirn einen langsamen Rhythmus erzeugt, der mit Angst assoziiert ist, ein spezifisches Set von Neuronen rekrutiert wird, das in Bereiche projiziert, die Vermeidungsverhalten steuern. Wenn ein schnellerer Rhythmus, der mit Sicherheit assoziiert ist, erzeugt wird, wird ein anderer Satz von Neuronen rekrutiert, um Annäherungsverhaltensweisen voranzutreiben.

Um diesen Mechanismus zu entschlüsseln, mussten die Wissenschaftler zuerst bestätigen, dass unterschiedliche Arten des emotionalen Lernens tatsächlich unterschiedliche Gruppen von Neuronen nutzen. Sie trainierten Mäuse, eine bestimmte Umgebung zu fürchten und diese Angst durch einen Prozess namens Extinktion (Löschung) wieder zu verlernen. Durch das Verfolgen der Aktivität von Neuronen, die Signale an verschiedene Teile des Gehirns senden, beobachteten sie, dass die an die ursprüngliche Angstreaktion beteiligten Neuronen von denen unterschieden waren, die am Lernen beteiligt waren, dass die Gefahr vorüber war. Dies bestätigte, dass das Gehirn separate Teams von Zellen für gegensätzliche emotionale Zustände verwendet. Die Frage blieb jedoch: Was sagt diesen spezifischen Teams, dass sie aufstehen und aktiv werden sollen?

Das Team wandte sich der Idee zu, dass inhibitorische (hemmende) Zellen, die als die Bremsen des Gehirns fungieren, diejenigen sein könnten, die den Rhythmus vorgeben. Sie verwendeten eine Technik namens Optogenetik, die es Wissenschaftlern ermöglicht, Gehirnzellen mit Licht zu steuern, um diese inhibitorischen Zellen in der Amygdala zu stimulieren. Indem sie das Licht in einem langsamen Tempo von 4 Mal pro Sekunde auf diese Zellen blitzten, imitierten sie den Gehirnzustand, der mit Angst assoziiert ist. Wenn sie das Licht in einem schnelleren Tempo von 8 Mal pro Sekunde blitzten, imitierten sie den Zustand, der mit Sicherheit assoziiert ist. Sie beobachteten dann den Rest der Gehirnzellen, um zu sehen, wer reagierte. Die Ergebnisse waren klar und präzise. Der langsame Rhythmus aktivierte eine spezifische Gruppe von Neuronen, während der schnelle Rhythmus eine völlig andere Gruppe aktivierte. Einige Zellen reagierten auf beide, aber viele waren hochselektiv und feuerten nur, wenn der Rhythmus mit ihrer internen Abstimmung übereinstimmte.

Die Forscher wollten dann wissen, ob diese Abstimmung etwas ist, womit die Zellen geboren wurden, oder ob sie erlernt wurde. Sie maßen die elektrischen Eigenschaften einzelner Neuronen in einer Kulturschale, um zu sehen, wie sie auf ein durchlaufendes Spektrum von Frequenzen reagierten. Sie fanden heraus, dass die Neuronen natürlich bestimmte Frequenzen bevorzugten, unabhängig davon, ob das Tier jemals Angst oder Sicherheit erlebt hatte. Dies deutet darauf hin, dass das Gehen mit einer Bibliothek von vorab abgestimmten Zellen ausgestattet ist, die darauf warten, dass das richtige rhythmische Signal sie online bringt. Die inhibitorischen Zellen fungieren als Schalter, der den Rhythmus generiert, der das korrekte Team aus der Bibliothek auswählt, um die aktuelle emotionale Situation zu bewältigen.

Um zu beweisen, dass dieser Mechanismus in einem lebenden, sich verhaltenden Tier funktioniert, kombinierte das Team diese Techniken. Zuerst markierten sie die Neuronen, die während einer Angsterfahrung oder einer Sicherheitserfahrung aktiv waren. Später stimulierten sie die inhibitorischen Zellen mit Licht bei den entsprechenden Frequenzen. Als sie das Gehirn mit der „Angst“-Frequenz stimulierten, fanden sie heraus, dass die während der Angsterfahrung markierten Neuronen reaktiviert wurden. Wenn sie die „Sicherheits“-Frequenz verwendeten, wurden die während der Sicherheitserfahrung markierten Neuronen reaktiviert. Dies demonstrierte, dass der rhythmische Zustand des Gehirns nicht nur ein Nebenprodukt von Emotionen ist, sondern eine direkte Ursache, die die spezifischen neuronalen Schaltkreise, die für diese Emotion verantwortlich sind, erneut aktiviert.

Die Studie untersuchte auch, wohin diese Neuronen ihre Signale senden. Neuronen, die in eine Region projizieren, die mit Erstarren (Freezing) und Vermeidung involviert ist, wurden eher durch den langsamen, angstbezogenen Rhythmus rekrutiert. Neuronen, die in Regionen projizieren, die mit Belohnung und Exploration involviert sind, wurden eher durch den schnelleren, sicherheitsbezogenen Rhythmus rekrutiert. Dies liefert ein vollständiges Bild davon, wie das Gehirn Informationen routet: Die inhibitorischen Zellen generieren einen Rhythmus, dieser Rhythmus wählt eine spezifische Gruppe von Neuronen basierend auf ihrer natürlichen Frequenzpräferenz aus, und diese Neuronen senden dann Signale an die entsprechenden Teile des Gehirns, um das korrekte Verhalten zu erzeugen.

Diese Arbeit bietet eine neue Art zu verstehen, wie das Gehirn komplexe emotionale Zustände verwaltet. Sie legt nahe, dass das Gehirn sich nicht jedes Mal neu verdrahten muss, wenn ein Tier mit einer neuen Situation konfrontiert wird. Stattdessen verlässt es sich auf ein dynamisches System, bei dem der Rhythmus des Netzwerks bestimmt, welche bereits existierenden Werkzeuge verwendet werden. Die Erkenntnisse haben auch Auswirkungen auf das Verständnis psychiatrischer Erkrankungen, bei denen dieses System in einem Zustand feststecken könnte, wie etwa bei der posttraumatischen Belastungsstörung, bei der das Gehirn möglicherweise nicht in der Lage ist, aus einem Angst-Rhythmus auszuschalten. Durch das Verständnis, dass diese Rhythmen der Schlüssel zur Rekrutierung der richtigen Zellen sind, könnten Wissenschaftler eines Tages Behandlungen entwickeln, die dem Gehirn helfen, seinen Rhythmus zurückzusetzen und die Fähigkeit zur Wahrnehmung von Sicherheit wiederherzustellen. Die Forschung bestätigt, dass das emotionale Leben des Gehirns nicht nur davon handelt, welche Zellen aktiv sind, sondern über die präzise zeitliche Abstimmung und den Rhythmus, die sie zusammenbringen.