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.

Originalpublikation: “Breathing coordinates cortico-hippocampal dynamics in mice during offline states”
Nikolaos Karalis, Anton Sirota
Nature Communications, 2022

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