Kartierung der Kommunikationszentrale des Gehirns
Der Thalamus fungiert als Kommunikationszentrale des Gehirns: Er leitet Informationen von den Sinnesorganen und anderen Teilen des Gehirns weiter ihren Bestimmungsort. Trotz seiner wichtigen Rolle ist er noch längst nicht vollständig verstanden. Forscher des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik in Tübingen haben nun Beziehungen des Thalamus zu anderen Gehirnarealen untersucht. Ihre statistischen Analysen erlauben ihnen, den verschiedenen Teilen des Thalamus ihre jeweiligen Aufgaben zuzuordnen. Die in der Fachzeitschrift Communications Biology veröffentlichten Ergebnisse könnten zur Entwicklung gezielterer Therapien für Krankheitsbilder wie Parkinson oder Epilepsie beitragen.
Tief im menschlichen Gehirn liegt eine Region, die man mit einem Großflughafen vergleichen kann: der Thalamus. Er empfängt und verteilt Signale von den Sinnesorganen und von überall im Gehirn. Alle visuellen Eindrücke beispielsweise kommen zuerst im Thalamus an, von wo aus sie anschließend an die Gehirnareale geschickt werden, die sie weiterverarbeiten – ähnlich wie Flugreisende aus unterschiedlichen Städten und mit unterschiedlichen Reisezielen oft am selben Großflughafen umsteigen müssen. Allerdings ist unsere Kenntnis darüber, welche Teile des Thalamus bei welche Gehirnfunktionen eine Rolle spielen, bislang noch sehr lückenhaft.
Der Thalamus – ein flexibles Gehirnareal
Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik hat nun begonnen, diese Lücken zu füllen und den Thalamus zu kartieren. Dabei stellte sich heraus, dass viele der Untereinheiten des Thalamus sich ihre Aufgaben untereinander teilen. „Wir nennen dieses Phänomen funktionale Multiplizität“, erläutert Vinod Kumar, Hauptautor der Studie. „Man kann es mit der Funktionsweise einer CPU vergleichen. Ob man ein Spiel oder eine Office-Anwendung auf dem Computer ausführt – alles muss in der CPU verarbeitet werden – und der CPU ist es egal, welche Art Programm läuft; sie stellt ihre Berechnung für die Anwendung an, die sie gerade benötigt.“
Doch die Flexibilität des Thalamus reicht noch weiter: Er ist auch in höhere Gehirnfunktionen involviert. Die Bandbreite dieser höheren Hirnleistungen ist groß: Vom Arbeitsgedächtnis über Entscheidungsfindung bis hin zu Impulskontrolle spielt der Thalamus eine Rolle. Üblicherweise bringt man diese höheren Funktionen eher mit der Hirnrinde in Verbindung, der äußeren Schicht des Gehirns, die sich evolutionär recht spät bei Menschen und anderen Säugetieren entwickelt hat. „Was wir über die Weiterleitungs-Nuklei im visuellen Thalamus herausgefunden haben, stimmt mit neueren Beobachtungen in der Literatur zu Tieren überein“, kommentiert Kumar. „Es war aber bemerkenswert, dies beim Menschen beobachten zu können.“
Statistische Analysen von 3,5 Millionen Hirnscans
Die Wissenschaftler erzielten ihre Ergebnisse durch statistische Analysen von 3,5 Millionen Hirnscans von 730 Versuchspersonen aus der Forschungsdatenbank Human Connectome Project. Die Bilder waren mithilfe von funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) generiert worden. Bei dieser nichtinvasiven Methode wird neuronale Aktivität indirekt sichtbar gemacht, indem die Anteile von sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Blut bestimmt werden. Da aktive Neuronen mit Blut versorgt werden müssen, kann man mit dieser Methode ein Bild erstellen, in dem aktive Hirnregionen aufleuchten, während relativ inaktive Regionen dunkel bleiben. Selbst dann, wenn eine Versuchsperson gerade keine Aufgabe ausführt, kann man auf diesen sogenannten funktionellen Ruhe-MRTs wichtige Verbindungen innerhalb des Gehirns erkennen. Die Forscher ergänzten ihre Analysen durch Daten von 14 371 fMRT-Studien, bei denen die Probandinnen und Probanden während des Scans Aufgaben ausführen sollten.
Ein entscheidender Faktor für den Erfolg war, dass die Fragestellung des Teams – welche Teile des Thalamus stehen mit welchen Aufgaben in Verbindung? – für die Hirnrinde bereits detailliert beantwortet ist. Daher ließen die in den fMRI-Scans erkennbaren Verbindungen zwischen den verschiedenen Regionen des Thalamus und der Hirnrinde Rückschlüsse zu auf die Aufgaben der Thalamus-Regionen. So lassen etwa ausgeprägte Verbindungen von einer bestimmten Thalamus-Region zu einem Schmerzverarbeitungsnetzwerk in der Hirnrinde erkennen, dass diese Thalamus-Region in Zusammenhang mit Schmerz steht.
Große Bandbreite möglicher klinischer Anwendungen
Die neuen Erkenntnisse über die Funktionsweise des Thalamus könnten in der Zukunft relevant für viele klinische Anwendungen werden. Denn schließlich sind Verletzungen des Thalamus für eine Vielzahl von Erkrankungen ursächlich, darunter Sinnesstörungen, Gedächtnisprobleme, Parkinson, Epilepsie und Handtremor. Bereits jetzt behandeln Neurochirurgen solche Krankheiten durch sogenannte Tiefe Hirnstimulation. Dabei werden bestimmte Gehirnareale des Thalamus elektrisch stimuliert, um beispielsweise die Symptome von Parkinson oder medikationsresistenter Epilepsie zu lindern. Andere mögliche klinische Anwendungen sind transkranielle Gleichstromstimulation und transkranielle Magnetstimulation, beides nichtinvasive Verfahren zur Behandlung einer Vielzahl neurologischer und psychischer Erkrankungen.
„Dank unseres neuen Verständnisses der funktionalen Multiplizität in den Thalamus-Nuklei können wir klinische Störungen interpretieren“, sagt Kumar. „Wir könnten zum Beispiel besser verstehen, warum ein Parkinsonpatient unter Behandlung mit Tiefer Hirnstimulation im Thalamus unter bestimmten Nebenwirkungen leidet.“ Er hofft, dass dieses Wissen dabei hilft, derartige Interventionen gezielter so zu gestalten, dass ihre Wirkungen maximiert und ihre Nebenwirkungen reduziert werden.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Vinod Kumar
vinod.kumar@tuebingen.mpg.de
Originalpublikation:
Kumar, V.J., Beckmann, C.F., Scheffler, K., Grodd, W.: Relay and higher-order thalamic nuclei show an intertwined functional association with cortical-networks. Commun Biol 5, 1187 (2022). https://doi.org/10.1038/s42003-022-04126-w
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