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Wie man am Beispiel des Augenkatarakts beobachten konnte, ist eine ausreichende Anzahl von Umweltreizen notwendig um die Verbindungen bilden zu können. Wenn es diese Reize nicht gibt, oder sie widersprüchlich sind, dann können sich die Neuronen nicht korrekt verschalten. Das hat den Vorteil, daß sich das Gehirn auf die gegebene Umwelt optimal anpassen kann. Die richtige Verschaltung setzt eine geeignete Stimulierung des Gehirns voraus. Die einzelnen Gebiete müssen zeitlich-räumlich korrekt aktiviert werden. Dies geschieht in sensiblen Phasen während der Gehirnreifung. Für das Sehen ist die sensible Phase mit dem 3. Monat nach der Geburt abgeschlossen. Säuglinge, die frisch auf die Welt kommen können nur sehr einfache Reize, beziehungsweise angeborene Reize erkennen. Wenn man ein Baby anlächelt, dann lächelt es zurück. Man kann aber auch einen Ballon mit einem aufgezeichnetem Gesicht vor das Gesicht eines Babys halten und es wird genauso lächeln.

Kinder, die man unbeachtet im Gitterbett aufwachsen lässt, entwickeln sich ziemlich langsam. Sie können erst viel später aufrecht sitzen und erlernen das Laufen viel später. Die geeigneten Reize müssen in einer sensiblen Phase empfangen werden. Bezieht sich der Informationserwerb auf einen artspezifischen Informationserwerb in einer solchen sensiblen Phase, dann spricht man von einer Prägung. Durch die Prägung kommt es zu einer dauerhaften Wiedererkennung von artspezifischen Merkmalen, die später immer gleichartige Verhaltensreaktionen auslöst.

Die meisten Untersuchungen zur genauen Verschaltung der Neuronen während sensibler Phasen wurden am Sehsystem durchgeführt, da das Sehsystem ziemlich gut untersucht ist. Zu Beginn der fötalen Entwicklung sind die Retina, der seitliche Kniekörper und das primäre Sehsystem in der Großhirnrinde schon räumlich getrennt.


Abbildung 1.7: Ein Querschnitt durch das Sehsystem. Die Bereiche des linken Auges wurden mit einer radioaktiven Substanz markiert. Man kann sehr gut erkennen, wie sich die Säulen im Laufe der Zeit entwickeln.


Durch den Nervenwachstumsfaktor werden die groben Verbindungen hergestellt. Wichtig ist, daß die Axone der Ganglienzellen, die für den selben Sehbereich verantwortlich sind, abwechselnd von beiden Auge die rechte (bzw. die linke) Retinahälfte korrekt zum seitlichen Kniekörper projizieren und dann abwechselnd in das primäre visuelle Areal gelangen. Es bilden sich sogenannte Augendominanzsäulen. (Hyperkolumnen). Von der rechten Hälfte der Retina des rechten Auges innervieren Neuronen das rechte primäre visuelle Rindenfeld. Zwischen diesen Zielgebieten innervieren die Neuronen, kommend aus dem rechten Teil der Retina des linken Auges die Großhirnrinde. Es gibt ein Konkurrenzverhalten. Damit beide Augen gleich stark vertreten sind, bedarf es eines externen Stimulus. Die Abbildung 1.7 entstand durch eine radioaktive Markierung der innervierenden Neuronen aus dem linken Auge. Nachdem die Katze getötet wurde, wurde ein Schnitt durch ihr Sehzentrum auf Fotopapier gelegt. Die radioaktiv markierten Neuronen färbten das Fotopapier weiß, während die nicht markierten Neuronen das Fotopapier unbehelligt ließen. Deshalb gibt es in der Abbildung schwarze und weiße Säulen. Zum Zeitpunkt der Geburt überlappen die Neuronen im Zielgebiet (Abbildung 1.7 oben). Nach einer gewissen Zeit entstehen sog. Augendominanzsäulen. Die Säulen sind die kleinen weißen Rechtecke vom rechten Auge (Abbildung 1.7 unten). Dazwischen sind schwarze Säulen vom linken Auge. Die Schichtung des Cortex ist gut zu beobachten.

In der Abbildung kann man leicht erkennen, daß es zu Beginn der sensiblen Phase noch keine Trennung gibt - die Axonbäume aus den beiden Retinahälften überlappen sehr stark. Dies lässt darauf schließen, daß Teile der Axonbäume in Bereiche hineingewachsen sind, wo sie eigentlich nicht hingehören. Diese noch nicht stabilen Verbindungen müssen wieder zurückgebildet werden, damit es zu einer korrekten Trennung kommt.

Die Aufgabe ist vergleichbar mit dem Verlegen von vielen Telefonkabeln von einer in eine andere Stadt, wobei auf die Nachbarschaft zwischen den Telefonen geachtet werden muss. Wenn in einer Stadt, zum Beispiel Linz, von zwei benachbarten Telefonen, zum Beispiel Goethestraße 3 und Goethestraße 5, angerufen wird, dann müssten, zum Beispiel in Wien, zwei benachbarte Telefone, Schillerstraße 8 und Schillerstraße 10, läuten. Dass die Telefonkabeln von Linz nach Wien verlegt werden, dafür ist der Nervenwachstumsfaktor verantwortlich, und jedes Telefon in Linz kann rund 1000-10000 Telefone in Wien ansprechen. Für die korrekte Feinverschaltung gibt es einen anderen Mechanismus. Indirekt angenommen in ganz Wien gibt es in jedem Haushalt sehr sehr viele Telefone. Wenn man also von zwei benachbarten Telefonen in Linz nach Wien anruft, dann werden über Wien verteilt viele Telefone läuten. Nach der Wahrscheinlichkeit werden aber nur in ganz wenigen benachbarten Haushalten je ein Telefon gleichzeitig läuten. Wenn in Wien zwei benachbarte Telefone läuten, dann werden sie markiert. Wenn man nun von Linz aus von allen benachbarten Telefonen telefoniert hat, und in Wien nur die benachbart klingelnden markiert wurden, dann ist das Ziel praktisch erreicht. Es müssen jetzt nur noch alle nicht-markierten Telefone abmontiert werden. Jetzt müssen wir dieses Beispiel nur noch auf das Gehirn anwenden. Im seitlichen Kniehöcker (entspricht Linz) senden die Neuronen (entspricht den Telefonen in Linz) Axone aus, die sich im Zielgebiet aufteilen (die 1000-10000 Telefone in Wien) und über die Synapsen mit anderen Neuronen in Verbindung stehen. Nur wenn zwei benachbarte Synapsen aktiv sind, dann können sie weiter aktiv bleiben (sie wurden markiert), während Synapsen die praktisch nie aktiviert wurden, zurückgebildet werden. Die Neuronen, die keine sinnvolle Verbindung herstellen konnten, das heißt, das die Synapsen zu wenig aktiviert wurden, sterben ab. Wie es zur Markierung der aktiven Synapsen kommt ist bis heute noch unklar, man vermutet, daß nur eine beschränkte Menge des Nervenwachstumsfaktor im Zielgebiet vorliegt und nur die aktiven Synapsen den NGF aufnehmen können.


Abbildung 1.8: In dieser Graphik ist das Dominanzverhalten um zwei Zielgebiet dargestellt (entspricht zwei kleinen weißen/schwarzen Rechteck). Im unteren Bereich kann man die starken Dendritenverästelungen erkennen, die sich nach der sensiblen Phase zurückbilden (oben).

Damit die nachbarschaftlichen Beziehungen im visuellen Areal hergestellt werden können, müssen die benachbarten Neuronen des seitlichen Kniehöckers gleichzeitig feuern. Dazu wurden Experimente an der Retina von Frettchen durchgeführt. Man entfernte die Retina nach der Geburt und legte sie auf ein Drahtgitter. Somit konnte man von über 100 Zellen der Retina gleichzeitig die Aktivität der Neuronen ableiten.


Abbildung 1.9: Ein kleiner Ausschnitt der Retina mit Elektroden, die eine Wanderung von Aktivitätswellen aufzeichnen.


Es zeigte sich, daß ein spezielles Muster von elektrischen Entladungen in der Retina in sensiblen Phasen auftritt (Abbildung 1.9). Die spontane elektrische Aktivität in der sich entwickelnden Netzhaut ist lokal synchronisiert. In jedem Diagramm ist die Verteilung der Aktionspotential-Salven einzelner Ganglienzellen in der Retina eingetragen. An einem Punkt der Retina beginnen die Neuronen zu feuern. Von diesem Punkt aus werden die benachbarten Neuronen aktiviert und so weiter. Es entsteht eine Welle von elektrischen Aktivitäten die mit ungefähr 5 Sekunden über die Retina wandert. Danach werden in der Retina für 30 Sekunden bis 2 Minuten kaum Aktionspotentiale festgestellt. An einem anderen Punkt der Retina startet dann wieder die nächste spontane Aktivitätswelle.


Abbildung 1.10: Die Überlagerung von zwei Aktivitätswellen auf der Retina.


Diese spontanen Aktivitätswellen bilden ein räumliches Muster. Benachbarte Neuronen feuern gleichzeitig. Betrachten wir den Überlapp von zwei spontanen Aktivitätsmustern wie es in Abbildung 1.10 dargestellt ist, die von 2 verschiedenen Punkten zu verschiedenen Zeiten aus gestartet sind. Man kann die Nachbarschaft zwischen den Neuronen leicht erkennen. Wenn nun einige Tausende dieser Wellen über die Retina wandern, dann werden alle benachbarten Neuronen ausreichend aktiviert.

Die Wellen breiten sich langsam genug aus (0.1 mm/sec), um nur örtlich begrenzte - aber benachbarte - Areale des Sehzentrums zu aktivieren. Es ist sehr unwahrscheinlich, daß in den Netzhäuten beider Augen gleichzeitig spontane Aktivitätsmuster auftreten. Somit werden immer nur benachbarte ipsilaterale Säulen der Großhirnrinde aktiviert.

Nachdem diese Prozesse abgeschlossen sind, sterben alle Neuronen ab, denen es nicht gelungen ist, an den nachbarschaftserhaltenden Abbildungen teilzunehmen. Es können bis zu 50 % der Neuronen absterben. Danach ist die sensible Phase abgeschlossen.

Man darf nicht vergessen, daß die Retina geteilt ist - eine Hälfte schickt die Signale zum contralateralen und die andere Hälfte zum ipsilateralen primären Sehzentrum. Daraus folgt, dass durch die spontanen Aktivitätsmuster beide Sehzentren (rechts und links) aktiviert werden.


Abbildung 1.11: In der linken Darstellung ist das linke Auge (L) verschlossen, was zu einer Verkümmerung der Dendriten in der Großhirnrinde führt. In der rechten Abbildung führt eine Tetrodoxin-Injektion zu keiner Ausbildung der Augendominanzsäulen.

Wenn ein Auge verschlossen wird (in der linken Abbildung 1.11 das linke Auge), dann können die Augendominanzsäulen für das entsprechende Auge nicht - oder nur spärlich entstehen. Wenn durch eine Tetrodoxin-Injektion die Weiterleitung beziehungsweise Entstehung der spontanen Aktivitätsmuster verhindert wird, können sich die Augendominanzsäulen von beiden Augen nicht ausbilden (rechte Abbildung 1.11). Die Axonbäume wuchern wild in das Zielgebiet hinein. Beide Fälle führen zu einer massiven Einbuße der Sehkraft. Damit erklären sich auch die Probleme, die Kinder hatten, wenn die Linsentrübungen (Katarakt) nicht sofort nach der Geburt beseitigt wurden.

Im Prinzip gibt es zwei entgegengesetzte Mechanismen: die Kooperation und die Konkurrenz. Zum einen sollen die benachbarten Ganglienzellen der Retina (beziehungsweise des Corpus geniculatum laterale) auf benachbarte Gebiete in das primäre sensorische Sehzentrum projizieren (Kooperation) und zum anderen sollen von beiden Retinahälften die identen Gebiete innerviert werden (Konkurrenz). Durch die synchronen Aktivitätsmuster in der Retina wird der Mechanismus der Kooperation verwirklicht. Andererseits kommt es durch die abwechselnde Aktivität der beiden Augen im Zielgebiet zu einer Konkurrenz um den Nervenwachstumsfaktor.


Abbildung 1.12: Querschnitte durch die Rinde des Sehzentrums. Die Säulen werden jetzt zu flächigen Gebieten. Die schwarzen Zielgebiete stammen von dem einen Auge, während die weißen Zielgebiete vom anderen Auge stammen.

Wenn man die Neuronen des Sehzentrums, die vom rechten beziehungsweise vom linken Auge innerviert werden, radioaktiv markiert, und dann einen Tangentialschnitt durch das kuppelförmige Areal V1 durchführt (das heißt von oben her), kann man die flächigen Gebiete, die mit dem rechten beziehungsweise mit dem linken Auge verbunden sind, leicht erkennen. Die weißen und schwarzen Streifen in der rechten Abbildung 1.12a sind das Ergebnis der unterschiedlichen Innervierungen durch die beiden Augen. Die schwarzen Streifen sind in Abbildung 1.12b bedeutend kleiner, da das rechte Auge zwei Wochen nach der Geburt eines Affen verschlossen wurde Die Aufnahme wurde nach 18 Monaten gemacht und der radioaktive Stoff wurde in das linke Auge injiziert. Das inverse Bild ergibt sich, wenn man dem Affen den radioaktiven Marker in das verschlossene Auge (immer noch rechts) injiziert. Wenn man die einzelnen Schnittbilder - bei nicht verschlossenen Augen - verknüpft, kann man die Augendominanzsäulen rekonstruieren 1.12d. Man kann sehr schön die Strukturen - geschaffen durch Konkurrenz und Kooperation - erkennen. Die Gebiete aus dem selben Auge kooperieren miteinander (jeweils weiß beziehungsweise jeweils schwarz), während die Gebiete aus unterschiedlichen Augen untereinander konkurrieren (schwarz und weiß).

Diese Erklärung scheint auch für den somatosensorischen und motorischen Cortex wichtig zu sein. So fand man auch im Rückenmark spontane Aktivitätssalven, die für die Topologie verantwortlich sind.

Damit lüftet sich auch das Geheimnis der unterschiedlichen EEG-Bilder bei Japanern und bei Nicht-Japanern bei der Präsentation der selben Laute. Die Sprache der Japaner weist einige interessante Eigenheiten auf. Der gut formulierte, aber komplizierte Satz "Ue o ui, oi o oi, ai o ou aiueo" enthält ausschließlich Vokale (Die Übersetzung lautet ungefähr: Sich über den Hunger sorgend und sein Alter verschleiernd, sucht er nach Liebe, ein liebeshungriger Mann). Es zeigte sich, daß bis zum 9. Lebensjahr die Verarbeitung der Sprachlaute abgeschlossen ist. Die beiden Hemisphären des Gehirns sind auf unterschiedliche Geräusche spezialisiert. Die linke Hälfte beschäftigt sich mit der Sprachverarbeitung, während die rechte Hälfte für die allgemeine Geräuschwahrnehmung verantwortlich ist. Da im Japanischen, die harten Laute - wie zum Beispiel das Zirpen einer Grille - größtenteils als nichtsprachliche Geräuschinformation verarbeitet werden, zeigt sich in der rechten Hemisphäre eine erhöhte Aktivität. Umgekehrt sind in vielen europäischen Sprachen harte Laute vertreten und damit werden die Grillenlaute in der linken Hemisphären - scheinbar als Sprache - verarbeitet.

 



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Fragen: Diese Fragen sollten nach der Vorlesung beantwortet werden können,

Was bewirkt der Nervenwachstumsfaktor?

Welche Effekte können durch die Entwicklung des Nervensystems beschrieben werden?

Was versteht man unter dem Phänomen Kooperation und Konkurrenz bei der Entwicklung des Nervensystems?

Was bewirken spontane Aktivitätswellen in der Retina?

Wann ist die Entwicklung des Nervensystems abgeschlossen?