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Eigenschaften thalamischer Relais-Neurone

Der Thalamus wird häufig als "Tor zum Bewußtsein" bezeichnet, weil die thalamischen Afferenzen den weitaus wichtigsten Eingang zum Neokortex darstellen und so entscheidenden Einfluß auf die neuronale Aktivität der Hirnrinde nehmen. Die für den Neocortex bestimmten sensorischen und motorischen Informationen werden fast ausnahmslos in den verschiedenen Kernen des Thalamus umgeschaltet und auf die entsprechenden Cortexareale verteilt. Die thalamischen Umschalt-(Relais-) Neurone stehen jedoch nicht nur im Dienst des Datentransfers. Die Grundaktivität der Relais-Zellen gibt vielmehr den Rhythmus vor, der für die Aktivität der neokortikalen Neurone in den unterschiedlichen Bewußtseinszuständen charakteristisch ist. Isoliert man den Neokortex vom Thalamus, verschwinden daher die typischen EEG-Muster. Unsere jeweilige Bewußtseinslage ist also offensichtlich das Ergebnis komplexer thalamokortikaler Interaktionen. Die elektrischen Eigenschaften der thalamischen Relais-Neurone liefern dabei einen wichtigen Schlüssel zum Verständnis der Rhythmogenese im thalamokortikalen Schaltkreis. Intrazelluläre Ableitungen in vivo und in vitro haben gezeigt, daß Relais-Zellen, abhängig von ihrem Membranpotential, zwei ganz unterschiedliche Aktivitätsmodi besitzen: Liegt das Membranpotential im stärker negativen Spannungsbereich (unter -65 mV), so zeigen die Relais-Zellen spontane rhythmische Oszillationen ihres Membranpotentials. Eine einzelne Oszillation besteht dabei aus folgender Sequenz: langsame Depolarisation bis zur Schwelle - kurze Salve von Aktionspotentialen - Repolarisation und langsame Nachhyperpolarisation bis zum Beginn der nächsten langsamen Depolarisation. Die Oszillationen wiederholen sich mit einer Frequenz von 0.5 - 4 Hz. Werden die Relaiszellen über -65 mV depolarisiert, kommen die spontanen Oszillationen zum Stillstand und die Neurone reagieren auf überschwelligen Erregungszustrom (z.B. durch EPSPs) mit einer tonischen Entladung von einzelnen Aktionspotentialen. Bei den thalamischen Relais-Neuronen läßt sich also zwischen einem Oszillationsmodus einerseits und einem tonischen Entladungsmodus andererseits unterscheiden. Im folgenden wollen wir anhand der Abb. 1 und Abb. 2 untersuchen, wie diese Modi mit bestimmten Bewußtseinszuständen korrelieren und wie aus der Entgleisung der thalamokortikalen Rhythmogenese ein epileptisches Anfallsleiden entstehen kann.

Abbildung 1

Tiefschlaf (slow-wave sleep, delta -Rhythmus im EEG) (s. Abb. 1A)

Im Tiefschlaf herrscht bei den thalamischen Relais-Neuronen der Oszillationsmodus vor. Die kurzen Salven von Aktionspotentialen werden über die Axone der Relais-Zellen in den Neocortex weitergeleitet und prägen damit den kortikalen Pyramidenzellen ihren langsamen Rhythmus auf. Da viele Relais-Zellen ihre Oszillationen in Phase auf den Kortex übertragen, kommt es zu einer starken Synchronisierung der elektrischen Aktivität der Hirnrinde, daher die großen delta -Wellen im EEG. Im Tiefschlaf fungiert also der Thalamus als endogener Schrittmacher der langsamen kortikalen Aktivität. Aufgrund der robusten Oszillationen verschlechtern sich im Tiefschlaf die Übertragungseigenschaften der Relais-Zellen erheblich. Dies hebt die Weckschwelle und schützt den Schlaf.

REM-Schlaf (s. Abb. 1B)

Wie wir zuvor gesehen haben, ähnelt das EEG im REM-Schlaf dem des Wachzustands. (Daher wird REM-Schlaf auch als paradoxer Schlaf bezeichnet.) Verglichen mit dem Tiefschlaf ist das EEG im REM-Schlaf höherfrequent und desynchronisiert. Ursache dafür sind mesopontine cholinerge Projektionen zum Thalamus, die im REM-Schlaf aktiv sind und die thalamischen Relais-Zellen depolarisieren. Dadurch werden diese vom Oszillationsmodus in den tonischen Entladungsmodus überführt. Intern generierte neuronale Aktivität kann so in den Cortex gelangen und die bizarr-bunte Traumwelt produzieren, die diese Schlafphase charakterisiert. Sinnesreize aus der Außenwelt werden wahrscheinlich durch präsynaptische Hemmechanismen unterdrückt oder abgeschwächt. Dadurch ist auch im REM-Schlaf die Weckschwelle durch äußere Reize hoch. Absteigende noradrenerge Bahnen aus dem Locus ceruleus sorgen für die Atonie der quergestreiften Muskulatur.

REM-Schlaf (s. Abb. 1B)

Im Wachzustand projizieren neben den cholinergen mesopontinen Kerngebieten, die auch im REM-Schlaf aktiv sind, noradrenerge (Loc. ceruleus) und serotonerge (N. raphe) Kerngebiete der Formatio reticularis in den Thalamus, dazu kommen histaminerge Fasern aus dem Hypothalamus. All diese Projektionen wirken depolarisierend auf die Relais-Zellen, unterdrücken damit den Oszillationsmodus und sorgen dafür, daß die Relais-Zellen im tonischen Entladungsmodus operieren und so ihre regulären Aufgaben bei der Datenweitergabe wahrnehmen können. Allerdings wirft das die Frage auf, warum wir im REM-Schlaf, nicht aber im Wachen, bizarr-chaotische Traumbilder produzieren, obwohl in beiden Fällen die Relais-Zellen im tonischen Entladungsmodus arbeiten. Der Grund liegt vermutlich in der fehlenden Aktivität aminerger Kerngebiete im REM-Schlaf. Diese Kerngebiete projizieren nicht nur zum Thalamus, sondern insbesondere auch in viele Areale des Neokortex. Die aminerge Innervation des Cortex scheint eine Voraussetzung für die Entstehung eines zeitlich-räumlich geordneten Weltbilds in unserem Gehirn zu sein. Das Fehlen dieser Innervation im REM-Schlaf könnte eine Ursache für die Inkohärenz und Phantasmagorie der Traumsequenzen darstellen.

Wo sitzt die innere Uhr, die den Wechsel der Bewußtseinszustände im Rahmen der circadianen Rhythmik steuert? Man nimmt an, daß dem N. suprachiasmaticus, der zum Hypothalamus gehört, hierbei eine entscheidende Rolle zukommt. Er besitzt Verbindungen zu den verschiedenen Kerngebieten der Formatio reticularis und des Hypothalamus, die die Aktivitätsmodi der thalamischen Relais-Zellen regulieren. Fasern von der Retina projizieren wiederum zum N. suprachiasmaticus, sodaß der Hell-Dunkel-Wechsel als wichtigster Zeitgeber den (circadianen) Eigenrhythmus des N. suprachiasmaticus auf 24 h einstellen kann.

Abbildung 2

Spindelaktivität (s. Abb. 2A)

Spindeln sind synchronisierte Oszillationen von erst zu-, dann abnehmender Größe. Sie treten typischerweise im wach-entspannten Zustand in Form von alpha-Spindeln (8 - 12 Hz) und im Schlafstadium 2 (non-REM-Schlaf mittlerer Tiefe) in Form von Schlafspindeln (6 - 15 Hz) auf. Die Spindeln entstehen durch reziproke synaptische Interaktionen zwischen erregenden Relais-Zellen und hemmenden N. reticularis (NRt)-Neuronen des Thalamus. Erregung von NRt-Neuronen ruft ein GABA_A-Rezeptor-vermitteltes IPSP in Relais-Zellen hervor. Aufgrund der besonderen elektrischen Eigenschaften der Relais-Zellen kommt es dort nach Abklingen des hyperpolarisierenden IPSPs zu einer überschießenden ("rebound")-Erregung mit einer Salve von Aktionspotentialen. Diese werden zum Kortex weitergeleitet, über Kollaterale aber auch auf NRt-Zellen. Deren überschwellige Erregung setzt dann einen neuen intrathalamischen IPSP-EPSP-Zyklus in Gang. In den thalamokortikalen Relais-Zellen kommt es also durch die reziproke synaptische Verknüpfung mit den NRt-Zellen zu einem stetigen Wechsel von Erregung und Hemmung, was letztlich zu einer periodischen Erregung der corticalen Pyramidenzellen führt. Die Größenzunahme der Spindeln beruht auf der Einbindung zusätzlicher Thalamusneurone in die Netzwerk-Oszillationen, die nachfolgende Spindelabnahme resultiert wahrscheinlich aus temporären Änderungen in den intrinsischen Eigenschaften der Thalamusneurone, wodurch ihr Resonanzverhalten beeinträchtigt wird. Die schlagartige Unterbrechung der Spindelaktivität mit nachfolgender Desynchronisierung des EEGs durch Arousal wird durch aufsteigende retikuläre Projektionen vermittelt. Diese Fasern depolarisieren Relais-Zellen und NRt-Zellen und bringen sie damit aus dem Potentialbereich, in dem sich die intrathalamischen Netzwerk-Oszillationen entwickeln können.

Absence-Epilepsie (s. Abb. 2B)

Absence-Anfälle gehören zu den generalisierten kleinen Epilepsien des Kindes- und Jugendalters. Sie sind charakterisiert durch einen kurzen, nur wenige Sekunden dauernden Bewußtseinsverlust, der meist ohne auffällige motorische Begleitsymtpome eintritt. Ursache für die Absence ist eine pathologisch entgleiste, hypersynchrone Spindelaktivität, die alle bewußten mentalen Vorgänge kurzzeitig unterbricht. Normalerweise besteht eine gegenseitige Hemmung zwischen den NRt-Neuronen, die deren Erregungsphase limitiert. Wird dieser Hemmechanismus geschwächt (oder nimmt die endogene Erregbarkeit der NRt-Neurone zu), verlängert sich die Entladungszeit der NRt-Neurone. Dadurch wird mehr GABA an den Axonterminalen der NRt-Neurone ausgeschüttet, was über die zusätzliche Aktivierung von postsynaptischen GABA_B-Rezeptoren ein tieferes und längeres IPSP in den Relais-Zellen verursacht. Entsprechend größer und länger ist die "rebound" Exzitation der Relais-Neurone, die dem langsamen IPSP folgt und in den Kortex übertragen wird. Als Folge verlangsamt sich die Frequenz der Spindeloszillationen im Absence-Anfall auf 3 Hz. Im EEG sieht man als Äquivalent der pathologischen thalamokortikalen Oszillationen ein generalisiertes 3 Hz "spike/wave"-Muster.