Zwei Hirnschaltkreise steuern Gewohnheiten bei Mäusen

Wer versucht hat, Sport dauerhaft in den Alltag zu integrieren, kennt den üblichen Rat: Man soll ihn so lange wiederholen, bis er automatisch abläuft.

Bei Mäusen verarbeitet das Gehirn Gewohnheiten über zwei getrennte Schaltkreise, die durch Wiederholung auf unterschiedliche Weise verändert werden.

Der eine Schaltkreis hilft dabei, ein Verhalten zur Gewohnheit zu machen. Der andere beantwortet eine Frage, die in diesem Rat meist fehlt: Wie häufig wird das Verhalten tatsächlich ausgeführt, sobald es automatisch geworden ist?

Forschende der Universität Kyoto berichten, dass diese beiden Fragen in unterschiedlichen Hirnarealen bearbeitet werden. Beide lassen sich offenbar unabhängig voneinander beeinflussen.

Gewohnheiten in vier Tagen

Die Erforschung von Gewohnheiten hat ein zeitliches Problem: Da sich Gewohnheiten nur langsam entwickeln, vergleichen Studien meist getrennte Gruppen trainierter Tiere miteinander. Den Übergang eines einzelnen Tieres können sie dabei gewöhnlich nicht beobachten.

Das Team aus Kyoto entwickelte eine Aufgabe, welche diesen Wandel auf ein klar definiertes Zeitfenster eingrenzt. Zunächst lernten Mäuse, dass ein Druck auf einen Hebel einen Tropfen Saccharose auslöste.

Anschliessend trainierten sie sechs Tage lang nach einem Plan, bei dem die Belohnung nach einer festen Anzahl von Hebeldrücken ausgegeben wurde. Dadurch lernt ein Tier, dass Anstrengung eine Belohnung bringt – ein Kennzeichen zielgerichteten Verhaltens.

Am 10. Tag wurde die Regel geändert. Nun erschien die Belohnung nach einer durchschnittlichen Wartezeit von 60 Sekunden beim ersten Hebeldruck, unabhängig davon, wie viel Mühe die Maus aufwandte.

Bereits vier Tage unter diesen Bedingungen genügten. Die Verbindung zwischen Aufwand und Belohnung wurde undeutlich, und die Mäuse drückten den Hebel nicht mehr wegen der Saccharose, sondern weil das Drücken zu ihrem Verhalten geworden war.

Zwei übliche Kontrolltests bestätigten diesen Wechsel. Mäuse, die vorher Saccharose bis zur Sättigung aufnehmen durften, drücken weniger, wenn sie diese weiterhin wollen – und die zielgerichteten Tiere taten genau das. Bei den umgestellten Tieren war dies nicht der Fall.

Zwei Hirnschaltkreise prägen Gewohnheiten

Nachdem der Zeitpunkt des Übergangs feststand, konnte das Team die Veränderungen im Gehirn in Echtzeit verfolgen. Es nutzte Ableitungen an Hirnschnitten, Kalziumbildgebung bei lebenden Mäusen sowie Licht, um eine verstärkte Synapse zu löschen.

Ein Signalweg verläuft vom anterioren cingulären Cortex zum retrosplenialen Cortex. Die erste Region erfasst, ob eine Handlung ihren Aufwand wert ist, während die zweite Erinnerungen an Orte verarbeitet.

Während die Mäuse die zielgerichtete Aufgabe erlernten, wurden die Verbindungen auf diesem Signalweg stärker. Sobald sich die Gewohnheit etablierte, schwächten sie sich wieder ab.

Dieses Auf und Ab spiegelte ausschliesslich die Strategie wider, die das Tier verwendete. Bei einem zweiten Signalweg zeigte sich dagegen ein völlig anderes Muster.

Er führt vom lateralen orbitofrontalen Cortex zum zentralen Striatum. Dort blieb die Verstärkung entweder bestehen oder ging zurück, ohne Einfluss darauf, ob das Tier gewohnheitsmässig handelte.

Stattdessen sagte sie das Ausmass des Verhaltens voraus. Mäuse mit anhaltend starken orbitofrontalen Reaktionen drückten weiterhin mit ihrer bisherigen Häufigkeit, während Mäuse mit nachlassenden Reaktionen deutlich seltener drückten.

Warum manche Gewohnheiten besonders intensiv ablaufen

Dieser zweite Befund entstand aus Unterschieden, nach denen niemand gezielt gesucht hatte. Die einzelnen Mäuse unterschieden sich stark darin, wie viel Hebeldrücken nach der Umstellung erhalten blieb.

Das Team bewertete jedes Tier mit einem Ausführungsindex. Dieser setzt die Drückrate am letzten zielgerichteten Tag ins Verhältnis zur Rate am letzten Tag des gewohnheitsmässigen Verhaltens.

Für die gesamte Gruppe lag der Median bei -0.16; die meisten Mäuse drückten also etwas weniger, nachdem sich die Gewohnheit gebildet hatte. Tiere, die beim ursprünglichen Plan blieben, erreichten 0.11 und hielten ihre Rate aufrecht.

Einige gewohnheitsmässig handelnde Mäuse erhöhten die Zahl ihrer Hebeldrücke, andere verringerten sie stark. Vor der Regeländerung hatten sich beide Gruppen jedoch identisch verhalten.

Sie drückten gleich häufig, erhielten dieselbe Zahl an Belohnungen und suchten den Belohnungsport ebenso oft auf. Auch danach waren sie in gleichem Mass gewohnheitsmässig.

Beide ignorierten eine entwertete Belohnung in gleichem Umfang, was zeigte, dass ihre Gewohnheitsbildung gleich stark war.

Der Unterschied bestand somit nicht darin, ob sich die Gewohnheit herausgebildet hatte, sondern darin, wie intensiv sie ausgedrückt wurde. Auch Lern- und Flexibilitätstests konnten die Gruppen nicht voneinander unterscheiden.

Gewohnheiten ein- und ausschalten

Korrelation bedeutet keine Kontrolle; daher griff das Team direkt in beide Signalwege ein. Das Dämpfen oder Antreiben der Aktivität im anterioren cingulären Signalweg verschob die Mäuse hin zu oder weg von gewohnheitsmässigem Reagieren.

Noch aussagekräftiger war es, die durch das Training entstandene Verstärkung nachträglich zu löschen. Die Mäuse lernten den Hebeldruck weiterhin problemlos. Sie gingen lediglich schneller in gewohnheitsmässiges Verhalten über.

Das passt zu einer seit Langem vertretenen Annahme auf diesem Forschungsgebiet. Wird das zielgerichtete System ausgebremst, muss das Gewohnheitssystem nicht mehr warten, bis es an der Reihe ist.

Die gezielte Beeinflussung des orbitofrontalen Signalwegs verstellte dagegen den anderen Regler. Die Zahl der Hebeldrücke stieg oder sank, während die Tiere gewohnheitsmässig blieben.

Nach diesen Befunden beruhen Gewohnheiten auf zwei Hirnschaltkreisen: einem Schalter und einem Lautstärkeregler.

„Gewohnheiten gehören zu den rätselhaftesten Funktionen des Gehirns, und wir haben oft Schwierigkeiten, sie zu kontrollieren, obwohl es sich um unsere eigenen Handlungen handelt“, sagte die Mitautorin der Studie, Nozomi Asaoka.

„Indem wir aufdecken, wie Gewohnheiten funktionieren, könnten wir letztlich Wege finden, sie selbst zu steuern, statt uns von ihnen steuern zu lassen.“

Was Mäuse nicht verraten können

Bei der Untersuchung handelt es sich um eine Mäusestudie, die bewusst eng angelegt ist. Sämtliche Tiere waren männlich; daher lässt sich daraus nicht ableiten, ob dieselbe Aufteilung auch bei Weibchen besteht.

Die untersuchte Gewohnheit bestand darin, über 13 Tage für Zuckerwasser einen Hebel zu drücken. Menschliche Routinen entstehen aus wesentlich komplexerem Material, und die Arbeit behauptet nicht, eine solche Routine gemessen zu haben.

Auch die Mäuse waren gesund. Jeder Zusammenhang mit Zwangsstörungen wäre eine Hochrechnung und wurde in dieser Studie nicht geprüft.

Zwei der zentralen Eingriffe löschten eine synaptische Veränderung, statt deren Entstehung zu beobachten. Das ist ein überzeugender Ansatz, um die Notwendigkeit zu testen, stellt jedoch einen Eingriff in das Gehirn dar.

Eine frühere Fassung der Arbeit wurde als Vorabveröffentlichung eingestellt; sie enthält die vollständigen Methoden und die Einschränkungen, auf welche die Autoren selbst hinweisen.

Von der Routine zum Zwang

Gewohnheiten können auf zwei unterschiedliche Arten scheitern, weshalb diese Aufteilung auch ausserhalb des Labors wichtig ist. Eine Gewohnheit kann sich gar nicht erst entwickeln, oder eine bereits entstandene Gewohnheit kann weit intensiver ablaufen, als sie sollte.

Zwangsstörungen ähneln deutlich stärker dem zweiten Problem. Bei Menschen mit Zwangsstörung tritt wiederholt eine Überaktivität in Verbindungen vom orbitofrontalen Cortex zum Striatum auf.

Genau diesen Signalweg nutzten die Mäuse, um ihr Ausführungsniveau festzulegen. Falls Gewohnheiten tatsächlich über zwei Hirnschaltkreise laufen, könnte eine Behandlung, die Flexibilität wiederherstellt, nur die Hälfte des Problems lösen.

„Unsere Studie hat bislang übersehene Kontrollmechanismen aufgedeckt, die an der Gewohnheitsbildung beteiligt sind. Sie zeigt, was bestimmt, wie stark eine Gewohnheit ausgeführt wird, und hilft zu erklären, warum sich Gewohnheiten von Mensch zu Mensch unterscheiden“, sagte Yasunori Hayashi, der die Studie leitete.

Das Team möchte nun herausfinden, wodurch diese individuellen Unterschiede entstehen. Nichts, was die Mäuse zuvor getan hatten, sagte voraus, welche Tiere Gewohnheiten mit hoher oder niedriger Ausführungsintensität entwickeln würden.

Was auch immer diesen Regler festlegt, könnte bereits im Gehirn vorhanden sein, bevor eine Gewohnheit überhaupt beginnt.