Wie Hirnregionen gemeinsame und getrennte Zeit messen

Eine neue Studie mit Mäusen zeigt, dass das Gehirn nicht nach einer einzigen inneren Uhr arbeitet. Zwei Hirnregionen, die beide den Zeitablauf verfolgen, können synchron bleiben oder auseinanderdriften. Je nachdem, was der Moment erfordert, wechseln sie zwischen einem gemeinsamen und getrennten Zeitempfinden.

Dieses Ergebnis verändert die Vorstellung von Neurowissenschaftlern darüber, wie sich das Gehirn über verschiedene Bereiche hinweg koordiniert. Wenn Regionen gemeinsam handeln, können sie sich auf denselben Zeitpunkt ausrichten; verfolgen sie unterschiedliche Ereignisse, können sie getrennte Zeitmessungen beibehalten.

Man kann es sich wie ein Orchester vorstellen: Nicht ein einzelner Dirigent gibt für das gesamte Ensemble den Takt vor, sondern verschiedene Instrumentengruppen können ihr eigenes Tempo halten und dennoch abgestimmt bleiben. Forschende zufolge scheinen unterschiedliche Hirnregionen ähnlich zu arbeiten: Sie teilen bei Bedarf ein Zeitgefühl, führen zugleich jedoch ihre eigene interne Zählung.

Gerät dieses Gleichgewicht aus dem Lot, kann die Abstimmung zwischen Hirnarealen beeinträchtigt werden – ein Merkmal mehrerer neurologischer Erkrankungen.

Das Gehirn könnte viele Uhren nutzen

Zeitmessung liegt nahezu allem zugrunde, was das Gehirn tut. Das Gefühl dafür, wie viel Zeit vergangen ist, steuert Bewegungen, Planung, Erinnerungen und alltägliche Entscheidungen.

Seit Jahrzehnten fragen sich Forschende, woher dieses Zeitgefühl stammt. Möglicherweise misst eine zentrale Region die Zeit für das gesamte Gehirn. Ebenso denkbar ist, dass jede Region bei Bedarf selbst zählt.

Die Hinweise sprechen zunehmend für die zweite Annahme. Statt einer übergeordneten Uhr scheint das Gehirn sein Zeitempfinden aus Netzwerken zu bilden, die über viele Regionen verteilt sind.

Zu untersuchen, wie diese verstreuten Uhren aufeinander abgestimmt bleiben, war bislang schwierig. Dafür müssen viele Nervenzellen in mehr als einer Hirnregion gleichzeitig aufgezeichnet werden. Zudem muss das Tier eine Aufgabe ausführen, die tatsächlich auf Zeitmessung angewiesen ist.

Mäuse lernten, Belohnungen zeitlich einzuordnen

Riichiro Hira, außerordentlicher Professor am Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), entwickelte gemeinsam mit seinen Kollegen eine solche Aufgabe.

Sie trainierten fünf Mäuse darauf, in abwechselnden Abständen von 6 und 12 Sekunden mit einem Tropfen Wasser zu rechnen. Nach ausreichend Übung hatten die Mäuse den Rhythmus verinnerlicht.

Kurz vor jeder Belohnung begannen sie erwartungsvoll zu lecken und richteten ihr Lecken nach dem jeweils anstehenden Zeitintervall aus.

Zwei Hirnregionen verfolgten die Zeit

Nachdem die Mäuse die Aufgabe beherrschten, beobachtete das Team ihre Gehirne bei der Arbeit. Mithilfe der Kalziumbildgebung, bei der aktive Nervenzellen unter dem Mikroskop aufleuchten, zeichneten die Forschenden gleichzeitig Tausende Zellen in zwei Hirnarealen auf.

Beide Areale liegen an der Oberseite des Mäusegehirns. Eines befindet sich weiter vorn im motorischen Kortex, in einem Bereich, der mit der Bewegungsplanung verbunden ist.

Das andere liegt weiter hinten im posterioren parietalen Kortex, der Sinneseindrücke zusammenführt und Informationen im Gedächtnis bereithält.

In beiden Regionen feuerten die Nervenzellen nacheinander in einer Abfolge. Verschiedene Zellen erreichten zu unterschiedlichen Zeitpunkten ihren Aktivitätshöhepunkt und deckten gemeinsam das gesamte Intervall ab. Solche versetzten Spitzen sind ein verbreiteter Weg, mit dem neuronale Schaltkreise verstrichene Zeit markieren.

Dass beide Hirnregionen Zeit kodieren, war Wissenschaftlern bereits bekannt. Noch nie zuvor hatte jedoch jemand beobachtet, wie beide Regionen dies im selben Tier Sekunde für Sekunde gleichzeitig tun.

Zwei Arten, Zeit falsch einzuschätzen

Um festzustellen, ob die Regionen dieselbe Zeit verfolgten, schätzte eine Software allein anhand ihrer neuronalen Aktivität, an welchem Punkt des Intervalls sich jede Region gerade befand.

Anschließend verglichen die Forschenden diese Schätzungen mit der tatsächlich vergangenen Zeit.

Mitunter verlor nur eine Hirnregion den zeitlichen Überblick. In anderen Fällen machten beide Regionen gemeinsam denselben Fehler. Die Forschenden bezeichneten diese später als „unabhängige“ und „kohärente“ Fehler.

Hirnregionen hielten gemeinsames Timing im Gleichgewicht

Unabhängige Fehler traten ungefähr doppelt so häufig auf wie kohärente Fehler. Überraschend war, wie stabil dieses Verhältnis blieb. Bei jeder Maus lag das Verhältnis nahe bei zwei zu eins und unterschied sich kaum zwischen den Tieren.

Diese Beständigkeit deutet darauf hin, dass die Aufteilung nicht zufällig ist. Die beiden Regionen sind weder fest miteinander verbunden noch vollständig voneinander getrennt. Sie bewahren eine feste mittlere Position, und die Aufgabe zwang sie nie dazu.

Vor dieser Studie war das Gleichgewicht zwischen gemeinsamer und getrennter Zeitmessung nicht direkt gemessen worden. Es scheint im Kortex selbst angelegt zu sein.

Wie bleiben Hirnregionen synchron?

Wenn die beiden Regionen ihr Zeitgefühl koordinieren, muss etwas zwischen ihnen übertragen werden. Das Team suchte nach Aktivitäten, die beide Areale gemeinsam aufwiesen, und untersuchte, welche Informationen sie transportierten.

Dieses Muster passt zu einer umfassenderen Vorstellung darüber, wie Hirnregionen miteinander kommunizieren. Frühere Untersuchungen legten nahe, dass Hirnareale nur einen kleinen Teil der Informationen austauschen, die sie verarbeiten. Die vorliegende Studie stützt diese Annahme. Das stärkste gemeinsame Signal der beiden Regionen bezog sich auf Bewegung, während Zeitinformationen über zahlreiche schwächere Signale verteilt waren.

Die gemeinsame Uhr besteht somit nicht aus einem einzelnen lauten Signal. Sie ist vielmehr eine schwache Übereinstimmung, die sich über viele kleine Kanäle verteilt. Dadurch lässt sie sich leicht übersehen und nur schwer auf einmal vollständig ausschalten.

Ein Computermodell bildete die Zeitmessung im Gehirn nach

Um herauszufinden, wodurch dieses Gleichgewicht entstehen könnte, wandte sich das Team neuronalen Netzwerken zu. Es konstruierte zwei Modellschaltkreise, jeweils einen für jede Region.

Die beiden Modellschaltkreise verbanden sie nur über wenige Verknüpfungen: etwa eine von jeweils tausend möglichen Fernverbindungen. Beide Schaltkreise erhielten außerdem dieselbe langsam driftende Hintergrundaktivität.

Diese Schwankungen wurden nicht eigens für das Modell erfunden. Eine frühere Studie hatte Aktivitäten im gesamten Gehirn aufgezeichnet. Sie zeigte, dass langsame, mit den Bewegungen eines Tieres verbundene gehirnweite Aktivität viele Regionen gleichzeitig durchzieht. Das Team baute dieselbe Art gemeinsamer Drift in seine Netzwerke ein.

Das Netzwerkpaar reproduzierte die Beobachtungen bei den Mäusen, einschließlich der Zwei-zu-eins-Aufteilung zwischen unabhängigen und kohärenten Fehlern. Die Zerlegung des Modells zeigte anschließend den Grund dafür.

Die wenigen Verbindungen halfen den beiden Schaltkreisen, im Gleichklang zu bleiben, während die gemeinsame Hintergrundaktivität verhinderte, dass sie völlig identisch wurden.

„Wir haben festgestellt, dass eine spärliche regionsübergreifende Konnektivität die Synchronisierung der beiden Regionen fördert, während weit verbreitete Schwankungen eine vollständige Synchronisierung verhindern und es jeder Region ermöglichen, ihre eigene zeitliche Repräsentation zu bewahren“, sagte Hira.

Erkenntnisse für KI und Roboter

Es entsteht das Bild eines Gehirns, das für beide Betriebsarten vorbereitet bleibt. Zwei Regionen können eine Uhr teilen, wenn sie wie eine Einheit handeln müssen. Sie können getrennte Uhren nutzen, wenn sie unterschiedliche Dinge verfolgen sollen.

Zwei einfache Bestandteile – spärliche Verschaltung und gemeinsames Rauschen – reichen aus, um dieses Gleichgewicht zu bewahren. Derselbe Zielkonflikt zeigt sich auch in der Technik.

Ein System, das flexibel bleibt und zugleich stabil ist, besitzt für Roboter und künstliche Intelligenz großen Wert. Starre Koordination ist dort häufig störanfällig. Der Mäusekortex vereint beides gleichzeitig, und nun gibt es einen möglichen Ansatz dafür, wie das gelingt.

Zeitmessung im Gehirn könnte Störungen erklären

Das Gleichgewicht könnte auch für ein beeinträchtigtes Gehirn relevant sein. Bei einigen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen geraten Regionen in ihrer Koordination auseinander. Ein klareres Verständnis dafür, wie gesunde Regionen locker synchron bleiben, gibt Forschenden ein konkreteres Ziel für weitere Untersuchungen.

„In Zukunft könnten unsere Ergebnisse zu einem besseren Verständnis der Kognition, neurologischer Störungen mit beeinträchtigter regionsübergreifender Koordination sowie zur Entwicklung gehirninspirierter künstlicher Intelligenz und robotischer Steuerungssysteme beitragen, die Stabilität und Flexibilität verbinden“, sagte Hira.

Anstatt einem einzigen Dirigenten zu folgen, könnte das Gehirn eher wie ein Orchester funktionieren. Verschiedene Gruppen können kurzzeitig ihren eigenen Rhythmus halten und dennoch zusammenspielen, wodurch das Gehirn sowohl Stabilität als auch Flexibilität gewinnt.