Neuronale Synchronisation als Mechanismus für Pathologie und Entwicklung in kortikalen Netzwerken

Neuronale Synchronisation und Kognition

Untersuchungen der strukturellen und funktionellen Organisation unseres Gehirns belegen, dass die Informationsverarbeitung in sensorischen und motorischen Systemen hochgradig parallel abläuft. In den verschiedenen Arealen der Großhirnrinde wird eine Fülle von Teilaspekten der Sinneswelt gleichzeitig analysiert; die einzelnen Teilergebnisse werden an exekutive Strukturen weitergegeben, ohne dass es jemals zu einer Zusammenführung der Teilergebnisse in einem singulären Zentrum kommt.

Als Mechanismus für die Koordination der hochgradig parallelen und verteilten Informationsverarbeitung wurde von Professor Singer und Mitarbeitern die Synchronisation oszillatorischer Aktivität vorgeschlagen, um die verteilten neuronalen Antworten zu verbinden [1]. In einer Reihe von Experimenten konnte der Nachweis erbracht werden, dass synchrone, oszillatorische Aktivität im Zusammenhang mit der Bindung von Stimuluselementen zu einheitlichen Objektrepräsentationen steht [2].

Neben der Bedeutung für die visuelle Wahrnehmung konnte die Relevanz neuronaler Synchronisation auch bei anderen kognitiven Systemen nachgewiesen werden [1]. Dies folgt aus der Beobachtung, dass die in der visuellen Wahrnehmung auftretenden Koordinationsprobleme letztlich Beispiele für ein allgemeines Bindungsproblem sind, das in kognitiven Systemen entsteht, die hochgradig parallel und arbeitsteilig arbeiten.

Neuronale Synchronisation und Gestaltwahrnehmung bei Patienten mit Schizophrenie

Wichtige Rückschlüsse über die funktionale Bedeutung von Synchronisationsphänomenen kann die Erforschung von psychiatrischen Erkrankungen liefern [3]. Die Schizophrenie ist eine Entwicklungsstörung, bei der neben der produktiven Symptomatik, wie zum Beispiel den akustischen Halluzinationen und Wahnvorstellungen, Einschränkungen in einer Vielzahl von kognitiven Funktionen vorliegen. In den letzten Jahren konnte die Forschung nachweisen, dass kognitive Defizite einen entscheidenden Einfluss auf den Verlauf der Krankheit besitzen. Demnach kommt der Erforschung der kognitiven Dysfunktionen eine entscheidende Bedeutung für das Verständnis und die Therapie der Schizophrenie zu. Darüber hinaus sind Erkenntnisse über die neuronalen Grundlagen von Kognition und Wahrnehmung durch die Korrelation von kognitiven Defiziten mit pathophysiologischen Veränderungen neuronaler Prozesse zu erwarten.

Psychophysische und elektrophysiologische Studien zur Gestaltwahrnehmung bei Patienten mit Schizophrenie bestätigen die mögliche Bedeutung von Synchronisationsphänomenen als Pathomechanismus der Schizophrenie [4, 5]. Als Gestaltwahrnehmung bezeichnet man die Fähigkeit des Wahrnehmungssystems, aus einer Vielzahl von Einzelreizen kohärente Wahrnehmungsgegenstände zu bilden, durch die die Welt als zusammenhängend und schlüssig erlebt wird. Patienten mit Schizophrenie zeigen eine auffällige Störung in der Gestaltwahrnehmung, die sich in der Phänomenologie als auch in psychophysischen Experimenten nachweisen lässt [4, 6]. Dass es sich hierbei um ein spezifisches Defizit bei der Integration von Einzelreizen handelt, konnte in einem Versuch gezeigt werden, in dem die reduzierte Gestaltwahrnehmung bei Patienten mit Schizophrenie zu einer verbesserten Testleistung in der so genannten Ebbinghaus Illusion führte (Abb. 1) [7].

In weiterführenden Experimenten wurde die neuronale Synchronisation mit Hilfe der Elektroenzephalographie (EEG) bei Patienten mit Schizophrenie (N=19) und gesunden Kontrollpersonen (N=19) untersucht [5]. Als visuelle Stimulation wurden Mooney Faces verwendet. Mooney Faces sind Bilder von Gesichtern junger und alter Menschen, in denen sämtliche Graustufen entfernt wurden. Die Gesichter erscheinen somit unvollständig und erfordern die Integration der verschiedenen Elemente zu einem einheitlichen Ganzen, um ein Gesicht wahrnehmen zu können. Patienten mit Schizophrenie zeigten sowohl eine geringere Detektionsrate als auch verlängerte Reaktionszeiten im Vergleich zu Kontrollen bei der Wahrnehmung von aufrechten Mooney Faces (Abb. 2). Defizite in der Gestaltwahrnehmung korrelierten mit einer signifikanten Abnahme der Phasensynchronisation zwischen Elektrodenpaaren im Frequenzbereich zwischen 20-30 Hz, während die Amplitude induzierter, hochfrequenter Gamma-Band Oszillationen keine signifikante Abnahme zeigte. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass Störungen in der Gestaltwahrnehmung bei Patienten mit Schizophrenie mit reduzierten kortiko-kortikaler Synchronisationsmuster im Zusammenhang stehen, die ein grundlegendes Defizit in der Koordination von neuronalen Prozessen widerspiegeln könnten.

Entwicklung kortikaler Netzwerke während der Adoleszenz

Die Motivation für Entwicklungsstudien kortikaler Netzwerke leitet sich aus der Erkenntnis ab, dass die strukturelle und funktionelle Entwicklung der Großhirnrinde erst mit der Adoleszenz zum Abschluss kommt. Neuere Forschungsergebnisse weisen darauf hin, dass die Adoleszenz mit einer Vielzahl von tief greifenden physiologischen, anatomischen und kognitiven Veränderungen verbunden ist, die einen entscheidenden Einfluss auf die Funktionsweise kortikaler Netzwerke haben [9]. Die Erforschung dieser Veränderungen nimmt nicht nur für das Verständnis von normalen Entwicklungsprozessen eine wichtige Rolle ein, sondern könnte auch Aufschlüsse über das gehäufte Auftreten von psychiatrischen Störungen während der Adoleszenz liefern.

Die Schizophrenie ist eine Entwicklungsstörung, die sich typischerweise im Übergang von der Adoleszenz zum Erwachsenenalter manifestiert. Die zeitliche Korrelation zwischen dem Auftreten der psychotischen Symptomatik, kognitiver Defizite und Veränderungen kortikaler Netzwerke während der Adoleszenz lässt den Schluss zu, dass ein kausaler Zusammenhang zwischen der Manifestation psychotischer Erkrankungen und der Entwicklung kortikaler Netzwerke während der Adoleszenz bestehen könnte. Die Bedeutung der Adoleszenz für die Entwicklung kortikaler Netzwerke wurde in einer Studie mit gesunden Kindern, Jugendlichen und Erwachsenen im Alter von 6-21 Jahren mit dem bereits beschriebenen Mooney Face Paradigma untersucht (Abb. 3) [10]. Neben einer verbesserten Gestaltwahrnehmung mit zunehmendem Alter konnten Veränderungen in der neuronalen Synchronisation festgestellt werden, die insbesondere im Übergang zwischen der Adoleszenz und frühem Erwachsenenalter auftraten. Diese Befunde zeigen bedeutende Veränderungen von Synchronsationsmustern während der Adoleszenz, die auf eine Reorganisation kortikaler Netzwerke und somit auf eine kritische Periode der Hirnentwicklung schließen lassen.

Fazit

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Erforschung von neuronalen Synchronisationsphänomenen Einblicke in die Pathophysiologie und Entwicklung der Schizophrenie liefern kann. Die Korrelation zwischen kognitiven Dysfunktionen und reduzierten Synchronisationsmustern bei Patienten mit Schizophrenie lässt den Schluss zu, dass die Synchronisation oszillatorischer Aktivität einen wichtigen pathophysiologischen Mechanimus der Erkrankung darstellt. Neben der Bedeutung für das Verständnis der Schizophrenie kann die Erforschung der neuronalen Synchronisation die Entwicklung von neuartigen Behandlungsstrategien unterstützen. Die Erforschung von Synchronisationsphänomen bei Patienten wird ergänzt durch Projekte von Arbeitsgruppen am MPI für Hirnforschung, die durch in vitro und in vivo Untersuchungen die Mechanismen aufklären, die zur oszillatorischen Modulation neuronaler Aktivität und zu deren Synchronisation beitragen. Die so gewonnen Erkenntnisse können die pathophysiologischen Mechanismen veränderter Synchronisationsphänomene bei Patienten mit Schizophrenie aufklären und die Suche nach gezielten, medikamentösen Therapien unterstützen.