Convergence, chemical transmission and co-location of sensory inputs on the C. elegans AIY interneuron: a connectome test of the semblance hypothesis

Das Gehirn ist eine Maschine, die dafür gebaut wurde, die Welt begreifbar zu machen, doch eines seiner tiefgreifendsten Rätsel bleibt, wie ein physisches Netzwerk aus Zellen eine private, interne Erfahrung hervorbringt. Wir wissen, dass Neuronen miteinander verbunden sind und Signale wie elektrische Impulse oder chemische Flüstertöne weitergeben, um unsere Wahrnehmungen und Erinnerungen aufzubauen. Aber die Standardkarte dieser Verbindungen, bekannt als Konnektom, hat noch nicht erklärt, wie das Gehirn das Gefühl des „Selbst“ oder die spezifische Empfindung eines Geruchs oder Geschmacks erzeugt. Eine theoretische Idee namens Semblanz-Hypothese schlägt ein fehlendes Puzzleteil vor: Wenn das Gehirn lernt, zwei Dinge miteinander zu verknüpfen, könnten die winzigen Empfangs-Enden der beteiligten Neuronen sich physisch berühren oder auf eine Weise verbinden, die es ihnen ermöglicht, ihre Signale direkt zu teilen. Wenn dies wahr ist, könnte das Gehirn eine Erinnerung an eines der Dinge erzeugen, indem es lediglich die Verbindung zu einem anderen aktiviert, wodurch eine Ich-Perspektive-Empfindung entsteht, ohne dass der ursprüngliche Reiz präsent sein muss. Um zu testen, ob ein solcher Mechanismus in einem Lebewesen existieren könnte, wandten sich Forscher an ein Lebewesen mit einem Nervensystem, das einfach genug ist, um vollständig kartiert werden zu können, aber komplex genug, um zu lernen und sich zu erinnern.

Der Gegenstand dieser Untersuchung ist der Nematodenfadenwurm C. elegans, ein winziger Organismus mit genau 302 Nervenzellen in seinem erwachsenen Körper. Wissenschaftler haben bereits das gesamte Verschaltungsmuster des Nervensystems dieses Wurms mithilfe leistungsstarker Elektronenmikroskope rekonstruiert und so eine dreidimensionale Karte jeder Verbindung zwischen jedem Neuron erstellt. In dieser Studie konzentrierten sich die Forscher auf einen spezifischen Teil des Wurmgehirns, den Nervenring, der etwa 180 dieser Neuronen enthält. Sie waren besonders daran interessiert, wie der Wurm lernt, verschiedene Sinne miteinander zu assoziieren, wie zum Beispiel die Verknüpfung des Geruchs von Nahrung mit deren Geschmack oder die Empfindung von Temperatur mit einem bestimmten Ort. Die Theorie, die sie testeten, besagte, dass für diese Assoziationen die Nervenzellen, die Nahrung, Geruch und Temperatur wahrnehmen, auf einem einzigen Empfängerneuron konvergieren sollten und dass die Verbindungen zwischen ihnen chemisch statt elektrisch sein sollten. Darüber hinaus, wenn die Theorie hält, sollten die winzigen Empfangs-Enden dieser Sinnesnerven an spezifischen Stellen auf diesem Empfängerneuron dicht gedrängt liegen, sich fast berühren, um die direkte Teilung von Signalen zu ermöglichen.

Die Forscher untersuchten drei verschiedene, vollständig rekonstruierte Karten des Nervenrings des Wurms, um zu sehen, ob die Sinnesnerven für Nahrung, Geruch und Temperatur sich tatsächlich dort treffen, wo die Theorie es vorhersagt. Sie fanden heraus, dass die Nerven, die Nahrung wahrnehmen, die Nerven, die Gerüche wahrnehmen, und die Nerven, die Temperatur wahrnehmen, die überwiegende Mehrheit ihrer Verbindungen auf ein einziges Interneuron namens AIY richten. Diese Konvergenz war weitaus spezifischer, als es der Zufall zulassen würde; diese Sinnesnerven verteilten ihre Verbindungen nicht wahllos unter den vielen verfügbaren Neuronen, sondern konzentrierten sich intensiv auf dieses eine Ziel. Zusätzlich überprüften die Forscher den Typ der Verbindungen, die diese Nerven herstellen. Während das Nervensystem des Wurms eine Mischung aus elektrischen und chemischen Verbindungen enthält, waren die Verbindungen dieser Sinnesnerven auf das AIY-Neuron fast ausschließlich chemischer Natur. Diese Unterscheidung ist entscheidend, da der vorgeschlagene Mechanismus zur Erzeugung interner Empfindungen auf chemischer Übertragung beruht, die die spezifischen, flexiblen Veränderungen ermöglicht, die für das Lernen erforderlich sind, im Gegensatz zur starren, unmittelbaren Natur elektrischer Verbindungen.

Der subtilste Teil des Tests bestand darin, nach der physischen Nähe zu suchen. Da die Nerven des Wurms nicht über die komplexen Verzweigungsstrukturen verfügen, die in größeren Tieren vorkommen, suchten die Forscher nach Stellen, an denen die Empfangs-Enden verschiedener Sinnesnerven exakt auf denselben Punkt des AIY-Neurons landeten. Sie entdeckten, dass die Nerven, die Nahrung wahrnehmen, tatsächlich an einigen spezifischen Orten auf einer Seite des AIY-Neurons gruppiert waren und dort viel näher beieinander lagen, als es der Zufall vorhersagen würde. Dieses Clustering wurde bei den Nerven für Geruch oder Temperatur nicht beobachtet, noch gab es ein besonderes Clustering, wo Nerven verschiedener Sinne, wie Nahrung und Geruch, aufeinandertrafen. Dieses Muster deutet darauf hin, dass das Gehirn eine stabile, eingebaute Struktur für die Verarbeitung der Nahrungsempfindung besitzt, was für das Überleben entscheidend ist, während die Verbindungen zwischen verschiedenen Sinnen, wie Nahrung und Geruch, eher temporär und flexibel sein könnten, sich erst bilden, wenn das Tier eine neue Assoziation lernt, und vielleicht wieder auflösen, wenn sie nicht mehr benötigt werden.

Die Studie enthüllte auch eine elegante Symmetrie in der Anordnung dieser Nerven. Die Nerven, die Nahrung auf der linken und rechten Seite des Körpers des Wurms wahrnehmen, landeten in einem spiegelbildlichen Muster auf dem AIY-Neuron, wobei die linksseitigen Nerven näher am Zellkörper auf der einen Seite und die rechtsseitigen Nerven näher auf der anderen Seite lagen. Diese beiden Seiten des Neurons sind an ihren fernen Enden durch eine direkte Brücke verbunden, die es Signalen ermöglicht, zwischen ihnen zu passieren. Diese Anordnung, kombiniert mit Rückkopplungsschleifen, bei denen das AIY-Neuron Signale an die Sinnesnerven zurücksendet, deutet auf einen Schaltkreis hin, der oszillieren oder rhythmisch alternieren könnte, was dem Wurm potenziell helfen könnte, seine Umgebung zu navigieren, indem er Eingaben von beiden Seiten vergleicht. Die Forscher waren jedoch vorsichtig darauf hinzuweisen, dass diese strukturellen Merkmale zwar den Vorhersagen der Theorie entsprechen, aber kein Beweis dafür sind, dass der Mechanismus tatsächlich funktioniert. Die Karten zeigen, dass die Nerven nah genug sind, um sich zu berühren, aber sie können nicht zeigen, dass sie tatsächlich miteinander verbunden sind oder dass sie Signale in der Weise teilen, wie die Theorie es beschreibt.

Letztlich liefert diese Arbeit eine starke strukturelle Grundlage für eine Theorie darüber, wie das Gehirn interne Empfindungen erzeugt, indem sie zeigt, dass das Nervensystem des Wurms so organisiert ist, dass ein solcher Mechanismus möglich ist. Die Ergebnisse bestätigen, dass sensorische Eingaben auf ein spezifisches Ziel konvergieren, dass sie den korrekten Typ chemischer Übertragung nutzen und dass sie sich in einer Weise gruppieren, die eine direkte Interaktion ermöglichen könnte. Dennoch deutet das Fehlen eines ähnlichen Clusterings für gelernte Assoziationen zwischen verschiedenen Sinnen darauf hin, dass diese Verbindungen keine permanenten Bestandteile im Gehirn des Wurms sind, sondern wahrscheinlich dynamisch und veränderlich sind. Um die Theorie wirklich zu bestätigen, müssten Wissenschaftler diese Verbindungen in lebenden, lernenden Tieren beobachten und beweisen, dass die Störung dieser spezifischen Anordnung die Fähigkeit des Wurms einschränkt, wahrzunehmen oder sich zu erinnern. Vorerst bietet die Karte des Wurmgehirns einen faszinierenden Einblick in die physische Architektur, die der eigentlichen ersten Schritte der bewussten Erfahrung zugrunde liegen könnte.