Dass wir das instrumental komplexe Klavierkonzert Nr. 5 "Kaiser" von Beethoven als harmonisches Klangerlebnisses erleben, haben wir der zeitlich strukturierten Verarbeitung vieler Klangmuster in unserer Hörrinde zu verdanken. Ein internationales Forschungsteam um Prof. Max Happel von der MSB Medical School Berlin und dem Leibniz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg hat nun festgestellt, dass auf molekularer Ebene, die eher zufällige Beweglichkeit bestimmter Ionenkanäle innerhalb der Membran von Nervenzellen, gerade ebendiese zeitlich synchrone Verarbeitung erst ermöglicht. In der aktuellen Studie in Frontiers in Cellular Neuroscience zeigen Prof. Happel und sein Team dies mithilfe moderner optogenetischer Verfahren, welche es erlauben mittels Laserlicht, welches in das Gehirn geleuchtet wird, diese Ionenkanäle auf bestimmte Weise "festzuhalten", was die Fähigkeit zur Klangverarbeitung beeinflusse. Diese Erkenntnisse könnten bei zukünftigen Ansätzen für die Behandlung verschiedener Erkrankungen, wie Migräne oder Epilepsie, eine entscheidende Rolle spielen.
Die Hörrinde stellt die höchste Station der Hörbahn dar und spielt eine zentrale Rolle dabei, die Symphonie der Außenwelt in ein stimmiges Wahrnehmungsbild zu fügen. Hier werden die mitunter sehr komplexen Schallereignisse einer turbulenten Außenwelt in verschiedene Hörobjekte gegliedert und zusammengefügt. Das ermöglicht es uns, das Lachen eines Freundes oder die Melodie eines Liedes zu erkennen. Die Präzision, mit der die Hörrinde die verschiedenen Schallereignisse richtig gruppiert, beruht dabei auf der zeitlich synchronen Verarbeitung von Eingangssignalen.
Die aktuelle Studie konzentriert sich auf die Rolle sogenannter spannungsabhängiger Calciumkanäle (CaV2.1 VGCCs) in der Membran von Neuronen in der Hörrinde von Mäusen. Diese Calciumkanäle sind entscheidend für die Einleitung der Freisetzung von Neurotransmittern in den Synapsen der Hörrinde und spielen somit eine entscheidende bei der Verarbeitung von Klängen.
Mit einem innovativen optogenetischen System, also der genetischen Veränderung der Maus, konnte das Team mittels Laserlicht eine genetisch modifizierte Version dieser Calciumkanäle zeitweise in der Synapse "zusammenkleben". Das schränkte die sonst zufällige und rege Beweglichkeit der Kanäle in der Membran ein. Das Resultat, das „molekulare Durcheinander“, zu reduzieren war eine signifikante Unterdrückung der durch sensorische Reize ausgelösten Aktivität in der Hörrinde. Diese verringerte Aktivität war besonders ausgeprägt, wenn die Reiz-Verarbeitung auf hochsynchronisierten Eingängen beruhte, wie etwa bei schnellen Rhythmen. Diese Erkenntnisse legen nahe, dass die zeitlich präzise Verarbeitung von Schallsignalen, ein Eckpfeiler der auditiven Verarbeitung, auf der molekularen und eben eher zufälligen Beweglichkeit von Ionenkanälen beruht. Das chaotische Verhalten auf molekularer Ebene hilft dem Gehirn also gerade dabei, die Geräusche aus unserer Umgebung zu einem zusammenhängenden Hörerlebnis zu verbinden.
"Unsere Forschung unterstreicht das komplexe Zusammenspiel zwischen molekularer Dynamik und der Fähigkeit des Gehirns, Klänge zu verarbeiten", sagte Katrina E. Deane, die Hauptautorin der Studie. "Wir haben zeigen können, dass die Beweglichkeit der Calciumkanäle in der Membran im Hörkortex entscheidend dazu beiträgt, dass wir eine Vielzahl von Klanginformationen in unsere wahrgenommene Realität integrieren können."
Die Untersuchung des Hörkortex ist dabei nicht nur für die Neurowissenschaft von fundamentaler Bedeutung, sondern hat auch praktische Implikationen für die medizinische Forschung und Behandlung. „Mit dieser innovativen Methode konnten wir erstmalig in einem lebenden Organismus verstehen, wie sehr die Dynamik von Ionenkanälen auf molekularer Ebene mit der Funktionsweise unseres Gehirns und der Wahrnehmung zusammenhängen. Das bessere Verständnis eröffnet uns auch neue Wege bei potenziellen Anwendungen zur Behandlung von Krankheitsbildern, die mit Kalziumkanälen in Verbindung stehen, wie beispielsweise der Epilepsie“, sagte Max Happel, der Leiter dieser Studie.
Die Studie ist veröffentlicht auf:
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fncel.2024.1369047/abstract
Wissenschaftliche Ansprechperson:
Prof. Dr. Max Happel
Prorektor für Forschung
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