Alpha- und Theta-Rhythmen

Zu den Oszillationen im mittleren Bereich gehören Theta- und Alphawellen. Alpha-Rhythmen von 8 bis 12 Hz wurden erstmals über dem okzipitalen Kortex beobachtet, wenn Menschen entspannt waren oder ihre Augen schlossen. Inzwischen ist jedoch bekannt, dass Alpha- und Thetawellen (4-7 Hz) in vielen Teilen des Gehirns an vielen verschiedenen Aufgaben im Wachzustand beteiligt sind. In vielen Fällen scheinen diese Wellen von nahezu 10 Hz schnellere Oszillationen zu koordinieren. In einem sehr weiten Sinne können Wellen im Bereich von 10 Hz als eine weit verbreitete „Systemuhr“ für viele Teile des Gehirns fungieren. So ist beispielsweise bekannt, dass Thetawellen die Kodierung vorübergehender episodischer Erinnerungen in das episodische Langzeitgedächtnis erleichtern. Aus dem motorischen Kortex ist bekannt, dass Alpha-ähnliche Rhythmen an der Hemmung geplanter Handlungen beteiligt sind. Im Frontallappen sind alpha-ähnliche Wellen an der Speicherung des Kurzzeitgedächtnisses beteiligt, und einige Forscher sind der Ansicht, dass sowohl die Synchronität als auch die Desynchronität von Alphawellen bei kognitiven Prozessen eine Rolle spielen können. Selbst die Grenze zwischen Theta- und Alphawellen ist nicht unbedingt klar, und einige Forscher glauben, dass diese Wellen in ihrem konventionellen Bereich nicht unbedingt stabil sind.

Wissenschaftliche Perioden schneller Entdeckungen scheinen oft verwirrend zu sein, bis sie sich in einem stabilen Muster von Beweisen einpendeln. Da die empirische Wissenschaft unvorhersehbar ist, wissen wir derzeit nicht, ob das Gehirnwellenspektrum sauber in Frequenzbereiche aufgeteilt werden kann oder ob sich herausstellt, dass verschiedene Hirnregionen ganz unterschiedliche Oszillationen aufweisen.

Es besteht jedoch weitgehende Übereinstimmung darüber, dass Alpha/Theta-Oszillationen in der Nähe von 10 Hz mit schnelleren Oszillationen interagieren. Ein Vorschlag lautet, dass Gehirnwellen dem Radiospektrum ähneln, wobei „Trägerfrequenzen“ moduliert werden (durch Amplitude, wie im AM-Radio) oder durch Frequenz (FM). Im Falle von Radiowellen erzeugen die Sender elektromagnetische Strahlung auf bestimmten Frequenzen (wie Sie auf Ihrem AM- oder FM-Zifferblatt sehen können). Radioempfänger können auf die wichtigsten Frequenzen eingestellt werden. Da es sich bei Sprache und Musik um schnellere Schwingungen handelt, werden diese von den Standardabstimmungsfrequenzen „getragen“.

Im Falle des Gehirns wird angenommen, dass Thetawellen manchmal als Trägerwellen fungieren und dass einzelne Neuronen ihre eigenen Feuermuster relativ zu einer weit verbreiteten Thetawelle abstimmen können (Canolty et al., 2006). Da es sich hierbei um offene Fragen an den Grenzen der Wissenschaft handelt, wissen wir einfach nicht genau, wie sie sich längerfristig klären werden.

Über den Bereich der schnelleren Oszillationen, die oft als Beta- und Gamma-Wellen bezeichnet werden, besteht derzeit keine Einigkeit. Es wird von funktionellen Rhythmen bis zu 200 Hz und sogar (kurzzeitig) 600 Hz berichtet. Da ständig neue Erkenntnisse hinzukommen, ist es sinnvoller, drei Frequenzbereiche zu beschreiben (siehe Abbildung 8.1). Zu den mittleren Oszillationen gehören die klassischen Alpha- und Thetaschwingungen, die bei 10 Hz liegen. Die Geschwindigkeit, mit der neue Erkenntnisse gewonnen werden, ist inzwischen so hoch, dass wir mit einer weitaus größeren Klärung dieser Fragen rechnen können.

Eine Reihe von Frequenzen wurde inzwischen für die sensorische Verarbeitung, die Aufmerksamkeitssteigerung bei sensorischem Input und das Arbeits- und Langzeitgedächtnis beobachtet. Synchronität ist in einem oszillierenden System wie dem Gehirn sowohl natürlich als auch nützlich für die Signalübertragung. Manchmal ist eine perfekte Synchronität nicht erreichbar, so dass es eine kurze Zeitspanne zwischen dem Höhepunkt der Welle an einem Ort (wie dem Hippocampus) und einem anderen Ort (wie dem Frontallappen) gibt. In diesen Fällen ist der bessere Begriff „Phasensynchronisation“ oder „Phasenkohärenz“, ähnlich wie ein synkopierter „Off-Beat“-Rhythmus in der Musik. Es handelt sich um Synchronie mit zeitlicher Verzögerung.

Einzelne Neuronen haben eine zeitliche Integrationszeit von etwa 10 ms, der Zeitraum, in dem sich dendritische Eingänge addieren können, um die Wahrscheinlichkeit einer einzelnen axonalen Ausgangsspitze zu erhöhen (siehe Kapitel 3). Eine Gruppe miteinander verbundener Neuronen kann die Feuerungsraten der anderen Neuronen zwischen 30 und 100 Hz verstärken, indem sie innerhalb des 10 ms-Fensters synaptische Eingänge liefern. Wenn beispielsweise zwei erregende Neuronen einander mit einer Rate von 50 Hz signalisieren, ist es möglich, eine erregende Rückkopplungsschleife aufrechtzuerhalten, da konvergierende Signale innerhalb des kritischen Zeitraums von 10 ms eintreffen können. Neuronale Feuerungsraten unter 30 Hz können jedoch von den Zielneuronen nicht integriert werden, da verschiedene Spikes zu spät eintreffen, um additive Effekte zu haben. Es wird daher angenommen, dass eine Gruppe von Neuronen, die im Beta-Gamma-Bereich feuern, einen stärkeren Antrieb auf die nachgeschalteten Neuronen ausübt als niedrigere Frequenzen. Natürlich sind reale Gehirnnetzwerke komplexer und haben sowohl hemmende als auch erregende Elemente. Nichtsdestotrotz gelten diese grundlegenden Punkte für Neuronen im Allgemeinen und haben eine Menge direkter empirischer Unterstützung erhalten.

Die Radioübertragung weist einige Ähnlichkeiten mit der oszillatorischen Synchronität im Gehirn auf. Die Existenz von AM- und FM-Radio deutet auf mindestens zwei Wege hin, auf denen Gehirnrhythmen Informationen im Gehirn verarbeiten können. Aber es gibt noch viele weitere Kodierungsschemata. Hirnrhythmen könnten als Taktgeber dienen, und sie können einzelne Impulse oder eine Reihe von Impulsen wie Morsezeichen verwenden. Verschiedene Neuronen können Signale auf unterschiedliche Weise nutzen, vielleicht in Kombination mit verschiedenen Molekülen und Synapsen.

Das Fernsehen ist ein Beispiel für einen raum-zeitlichen Code, bei dem das Sendesignal jede Zeile des Bildschirms von oben nach unten abtastet. Computerbildschirme verwenden eine ähnliche räumlich-zeitliche Kodierung. Hirnrhythmen koordinieren wahrscheinlich auch visuotopische Karten, somatotopische Karten und motorische Karten. Wie wir bereits erwähnt haben, ist das Gehirn reich an topographischen Karten, die sensorische Eingangsfelder oder neuromuskuläre Karten auf verschiedenen Abstraktionsebenen darstellen (siehe Kapitel 5).

Die Evolution hat sich die rhythmischen Eigenschaften der Neuronen über Hunderte von Millionen Jahren zunutze gemacht. Aus diesem Grund sollten wir nicht erwarten, nur einen einzigen neuronalen Code zu finden. Was wir wissen, ist, dass Hirnrhythmen sehr weit verbreitet sind und dass sie mit bekannten Funktionen verbunden sind.

Schließlich können sich Wellen auch gegenseitig stören. Wenn man einen Radioempfänger neben einem Computer aufstellt, hört man beim Drücken der Tastatur ein Rauschen. Das liegt daran, dass jeder Tastendruck ein elektromagnetisches Signal auslöst, das in den umgebenden Raum abstrahlt. Welleninterferenz ist ein grundlegendes Phänomen in der Strahlungsphysik. Interferenzen können für das Gehirn von großem Nutzen sein, aber sie können auch die neuronale Informationsverarbeitung beeinträchtigen. Wir fangen gerade erst an, die Rolle der Hirnrhythmen zu verstehen, aber es ist wahrscheinlich, dass Welleninterferenzen ebenfalls Auswirkungen haben werden.