Synchronisierte Ripples könnten Gedanken im Gehirn verbinden

Wenn Sie ein vertrautes Gesicht erkennen, muss Ihr Gehirn dieses Gesicht mit einem Namen, einem Ort und vielleicht auch einer Erinnerung verknüpfen.

Diese Informationen werden nicht zwingend in derselben Hirnregion verarbeitet. Dennoch fügen sie sich so reibungslos zusammen, dass sie als ein einziger Gedanke erscheinen.

Möglicherweise haben Forschende nun einen Mechanismus entdeckt, mit dem das Gehirn diese Leistung vollbringt.

Eine neue Studie legt nahe, dass weit voneinander entfernte Hirnareale kurzzeitig in denselben Rhythmus geraten, wenn wir Informationen im Gedächtnis behalten und abrufen. In diesen flüchtigen Momenten senden ihre Zellen eher gemeinsam Signale aus, was getrennte Bestandteile eines Gedankens verbinden könnte.

Die neue Untersuchung erschien in Nature Neuroscience. Unter Leitung des Medizinwissenschaftlers Ilya Verzhbinsky und des Neurowissenschaftlers Eric Halgren von der University of California San Diego analysierte das Forschungsteam Hirnaufzeichnungen von 35 Menschen, die wegen therapieresistenter Epilepsie überwacht wurden.

„Das gemeinsame ‚Feuern‘ könnte die grundlegende Währung des Gehirns sein, um Informationen miteinander zu verknüpfen.“

– Medizinwissenschaftler Ilya Verzhbinsky

Den Patientinnen und Patienten waren aus medizinischen Gründen bereits Elektroden im Gehirn implantiert worden. Dadurch erhielten die Forschenden die seltene Gelegenheit, die elektrische Aktivität einzelner Hirnzellen aufzuzeichnen, während die Teilnehmenden einen Gedächtnistest absolvierten.

Ihnen wurden entweder ein oder drei Bilder gezeigt, die sie für einige Sekunden behalten sollten. Anschließend mussten sie entscheiden, ob ein weiteres Bild zur ursprünglichen Gruppe gehört hatte.

Synchronisierte Ripple-Oszillationen könnten während des Arbeitsgedächtnisses die Kommunikation zwischen weit entfernten Hirnregionen unterstützen. (Ilya Verzhbinsky, erstellt mit Unterstützung von Google Gemini)

Ripple-Oszillationen im Arbeitsgedächtnis

Besonders interessierten sich die Forschenden für extrem kurze Ausbrüche elektrischer Aktivität, die als Ripples bezeichnet werden.

„Ein Ripple ist ein sehr kurzer Ausbruch rhythmischer Oszillationen der Erregbarkeit von Neuronen – ungefähr 90 Zyklen pro Sekunde und nur etwa eine Zehntelsekunde lang“, erklärte Verzhbinsky gegenüber ScienceAlert.

Vereinfacht gesagt wird eine kleine Gruppe von Hirnzellen plötzlich hochaktiv und folgt demselben schnellen Takt. Das gesamte Ereignis endet beinahe in dem Moment, in dem es beginnt.

Über 43 Aufzeichnungssitzungen hinweg verfolgte das Team die Aktivität von 1.373 Hirnzellen. Dabei zeigte sich, dass Ripples häufig gleichzeitig in zwei weit voneinander entfernten Hirnregionen auftraten.

Geschah dies, sendeten Zellen in diesen Regionen mit etwa 30 Prozent höherer Wahrscheinlichkeit gemeinsam Signale. In einigen Abschnitten der Aufgabe erreichte der Anstieg 49 Prozent.

Das könnte erklären, wie über das Gehirn verteilte Informationen zu einem einzigen Erlebnis zusammengeführt werden.

Ein Gesicht könnte in einem Bereich verarbeitet werden, ein Name in einem anderen und der Ort der Begegnung wiederum anderswo. Der gemeinsame Rhythmus könnte kurzzeitig eine Kommunikationsverbindung zwischen diesen Bereichen schaffen, sodass sie als ein Team arbeiten.

„Das ist wichtig, weil das gemeinsame ‚Feuern‘ die grundlegende Währung des Gehirns sein könnte, um Informationen miteinander zu verknüpfen“, sagte Verzhbinsky.

Synchronisierte Ripples über große Distanzen

Am überraschendsten war, über welche Entfernungen diese Koordination reichte. Die gemeinsamen Ripples verbanden Bereiche, die bis zu 220 Millimeter auseinanderlagen, und traten sogar zwischen den beiden Gehirnhälften auf.

Normalerweise werden direkte Verbindungen zwischen Hirnregionen seltener, je größer der Abstand zwischen ihnen ist. Würde die Ripple-Koordination ausschließlich auf solchen direkten Verschaltungen beruhen, hätte sie über längere Strecken schwächer werden müssen. Das war jedoch nicht der Fall.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass für diese Abstimmung möglicherweise keine einzelne Hirnregion als Dirigent erforderlich ist. Stattdessen könnte der Effekt einer Menschenmenge ähneln, die allmählich im gleichen Takt zu klatschen beginnt, ohne dass jemand sie anleitet.

Auch bei schwieriger werdender Gedächtnisaufgabe wurde der Rhythmus ausgeprägter. Wenn die Teilnehmenden sich drei statt eines Bildes merkten, nahm die koordinierte Signalübertragung um etwa 13 Prozent zu, während sie die Bilder im Gedächtnis behielten, und um 19 Prozent, wenn sie eines wiederzuerkennen versuchten.

Zellen, die beim ersten Betrachten eines Bildes gemeinsam Signale aussendeten, zeigten dieses Muster auch eher erneut, wenn dasselbe Bild wieder erschien. Trat dies ein, erkannten die Teilnehmenden das Bild tendenziell schneller.

Frühere Studien brachten ähnliche Ripples mit dem Wiederholen und Speichern von Erinnerungen in Verbindung. Eine kürzlich von ScienceAlert behandelte Studie ergab, dass bereits eine einzelne Trainingseinheit gedächtnisbezogene Ripples im menschlichen Gehirn verändern kann.

Die neuen Befunde legen nahe, dass diese kurzen Rhythmen dem Gehirn auch helfen könnten, einen Gedanken zusammenzuhalten, während wir ihn aktiv nutzen.

Grenzen der Studie zu Ripples und Gedächtnis

Die Studie beweist allerdings nicht, dass die Ripples die schnellere Wiedererkennung verursachten. Die Forschenden beobachteten die Signale lediglich; sie schalteten sie nicht an oder aus, um zu prüfen, wie sich das Gedächtnis veränderte.

Zudem litten alle Teilnehmenden an schwerer Epilepsie, und die Elektroden waren entsprechend ihren medizinischen Bedürfnissen positioniert. Daher konnten nur ausgewählte Bereiche ihres Gehirns untersucht werden. Das Experiment prüfte außerdem nur eine Art von Gedächtnisaufgabe.

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Verzhbinsky zufolge wäre es verfrüht, diese Signale als Angriffspunkt für die Behandlung von Erkrankungen zu betrachten, die Gedächtnis oder Denken beeinträchtigen. Zunächst müsse geklärt werden, ob dieselbe Aktivität auch in gesunden Gehirnen auftritt und ob ihre Störung das Gedächtnis verändert.

Vorerst eröffnen die Ergebnisse eine überzeugende Möglichkeit: Ein Gedanke könnte sich vollständig anfühlen, weil weit entfernte Teile des Gehirns kurz denselben Takt finden.

Die Studie wurde in Nature Neuroscience veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Rebecca Dyer auf Fakten geprüft und von Rebecca Dyer redigiert. Wir sind stolz auf unseren Prozess, aber auch wir sind nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie es uns bitte mit.