Gehirnaktivität im Schlaf: Die Atmung gibt den Takt vor
LMU-Wissenschaftler haben gezeigt, dass die Atmung Prozesse im Gehirn koordiniert, die für die Abspeicherung von Informationen während Schlaf und Ruhe wichtig sind.
Published: 24.01.2022
Während wir schlafen, ist das Gehirn keineswegs abgeschaltet, sondern mit dem Sichern wichtiger Erinnerungen des Tages beschäftigt. Um die Informationsübertragung zwischen den Gehirnregionen zu koordinieren, werden diese synchronisiert. Die Mechanismen, die diese Synchronisation über mehrere Hirnregionen hinweg ermöglichen, sind jedoch noch nicht gut verstanden. Bisher wurden angenommen, dass korrelierte Aktivitätsmuster innerhalb des Gehirns beteiligt sind. Die LMU-Neurowissenschaftler Prof. Anton Sirota und Dr. Nikolas Karalis konnte nun jedoch zeigen, dass ein anderer „Haupttaktgeber“ die verschiedenen Gehirnregionen steuert und miteinander synchronisiert: die Atmung.
Die Atmung ist der beständigste und wichtigste Körperrhythmus und übt eine starke physiologische Wirkung auf das autonome Nervensystem aus. Es ist bekannt, dass sie ein breites Spektrum kognitiver Funktionen wie Wahrnehmung, Aufmerksamkeit und Denkstrukturen moduliert. Welche Mechanismen ihrem Einfluss die kognitiven Funktionen und das Gehirn zugrunde liegen, ist jedoch weitgehend unbekannt.
Die Wissenschaftler führten im Mausmodell groß angelegte elektrophysiologische In-vivo-Untersuchungen von Tausenden Neuronen im gesamten limbischen System durch. Dabei fanden sie, dass die Atmung die neuronale Aktivität in allen untersuchten Hirnregionen – Hippocampus, Kortex, Thalamus, Amygdala und Nucleus accumbens – synchronisiert und koordiniert, indem sie die Erregbarkeit dieser neuronalen Schaltkreise unabhängig vom Geruchssinn moduliert. „Damit konnten wir die Existenz eines neuen nicht-olfaktorischen, intrazerebralen Mechanismus nachweisen, der für die Modulierung verteilter Schaltkreise durch die Atmung verantwortlich ist und den wir als „respiratory corollary discharge“ bezeichnen“, sagt Karalis, der derzeit am Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research in Basel forscht. „Unsere Ergebnisse belegen die Existenz einer bisher unbekannten Verbindung zwischen den respiratorischen und limbischen Schaltkreisen und bedeuten eine Abkehr von der üblichen Annahme, dass die Atmung die Hirnaktivität über olfaktorische Inputs moduliert“, unterstreicht Sirota.
Der neue Mechanismus vermittelt die Koordinierung der schlafbezogenen Aktivität, die für die Gedächtniskonsolidierung von wesentlicher Bedeutung ist, und ermöglicht die Ko-Modulation der Dynamik in Cortex und Hippocampus. Nach Ansicht der Autoren stellen diese Ergebnisse einen bedeutenden Fortschritt dar und liefern die Grundlage für neue mechanistische Theorien, die den Atemrhythmus als grundlegenden Mechanismus für die Kommunikation verteilter Systeme einbeziehen.
Amygdala
corpus amygdaloideum
An important core area in the temporal lobe that is associated with emotions: it evaluates the emotional content of a situation and reacts particularly to threats. In this context, it is also activated by pain stimuli and plays an important role in the emotional evaluation of sensory stimuli. Inaddition, it is involved in linking emotions with memories, emotional learning ability, and social behavior. The amygdala is part of the limbic system.
Nucleus
In cell biology, the nucleus in a cell is the cell nucleus, which contains the chromosomes, among other things. In neuroanatomy, the nucleus in the nervous system refers to a collection of cell bodies – known as gray matter in the central nervous system and ganglia in the peripheral nervous system.
Nucleus accumbens
The nucleus accumbens is a nucleus in the basal ganglia that receives dopaminergic (dopamine-responsive) inputs from the ventral tegmental area. It is associated with reward and attention, but also with addiction. In pain processing, it is involved in motivational aspects of pain (reward, pain reduction) and in the effect of placebos.
Cortex
cortex cerebri
Cortex refers to a collection of neurons, typically in the form of a thin surface. However, it usually refers to the cerebral cortex, the outermost layer of the cerebrum. It is 2.5 mm to 5 mm thick and rich in nerve cells. The cerebral cortex is heavily folded, comparable to a handkerchief in a cup. This creates numerous convolutions (gyri), fissures (fissurae), and sulci. Unfolded, the surface area of the cortex is approximately 1,800cm².
Hippocampus
The hippocampus is the largest part of the archicortex and an area in the temporal lobe. It is also an important part of the limbic system. Functionally, it is involved in memory processes, but also in spatial orientation and learning. It comprises the subiculum, the dentate gyrus, and the Ammon's horn with its four fields CA1-CA4.
Changes in the structure of the hippocampus due to stress are associated with chronic pain. The hippocampus also plays an important role in the amplification of pain through anxiety.
Originalpublikation
Nikolaos Karalis, Anton Sirota: Breathing coordinates cortico-hippocampal dynamics in mice during offline states. Nature Communications 2022
