Satte Spezialisten überreizen das Gehirn

BLOG: Graue Substanz

Migräne aus der technischen Forschungsperspektive von Gehirnstimulatoren zu mobilen Gesundheitsdiensten.
Graue Substanz

Flackernde Lichtblitze bestimmter Form lassen spezialisierte Gehirnzellen maximal feuern; sie überreizen damit ein sowieso schon überempfindliches Netzwerk und können einen Migräneanfall auslösen.

Manche Gehirnzellen sind echte Spezialisten – und richten damit Schaden an, zumindest wenn sie auf jemanden treffen, der im schottischen Tweed gekleidet ist. Der Reihe nach. Gehirnzellen sind Spezialisten. Das ist erst mal ganz normal.

Jetzt gerade zum Beispiel detektieren einige Ihrer Gehirnzellen Informationen aus dem Zentrum Ihres Gesichtsfeldes, die nötig sind, um diese  B u c h s t a b e n  zu lesen. Während diese Informationsverarbeitung nachgeschaltet geschieht, auf deutsch: während Sie lesen, passen unbemerkt andere Gehirnzellen außen in der Peripherie Ihres Gesichtsfeldes auf, dass von rechts kein Löwe kommt. Bis jetzt blieben diese Spezialisten für Bewegung offensichtlich stumm. Jene, die fleißig ins Zentrum “gucken” und feuern, sind Spezialisten für Kanten. Natürlich wird auch im Zentrum Bewegung detektiert und außen, in der Peripherie des Gesichtsfeldes, Kanten. Aber es sind, vereinfacht gesagt, nicht überall gleich viele Spezialisten am Werk.

Es gibt auch Zellen die Farbdetektoren sind. Wenn nun aber im Folgenden von Farben die Rede ist, hat dies nichts mit der Wahrnehmung von Farbe zu tun sondern ich nutze Farbe allein als Mittel zum Zweck der Kennzeichnung von Kanten bei Buchstaben und Kanten bei anderen Objekten.

Spezialisten, das wissen wir, übernehmen immer nur einen Teil der Gesamtarbeit. Lesen wir den Buchstaben A, werden einige Zellen, nennen wir sie die grünen Zellen, nur den Aufstrich lesen, andere, die blauen, den Abstrich und wieder andere, die cyanen, den Querstrich. Diese bunten Zellen, die Striche oder auch Kanten “lesen”, also detektieren, nennen wir folglich Kantendetektoren. Die Farbkodierung dient nur der einfachen Veranschaulichung, weil der Farbraum ebenso wie der Merkmalsraum der Orientierung von Kanten zyklisch ist, was dank der bunten Windrädchen auf den Balkonen uns anschaulich vor Augen geführt wird. Die Orientierung einer Kante ist nach einer Drehung um 180° (von neun Uhr auf drei Uhr) wieder die selbe.1 Der Farbkode wird später noch wichtig werden, wenn wir darauf schauen – im wörtlichen Sinne –, wie diese Spezialisten in einem Netzwerk auf der Sehrinde organisiert sind. Dann kommen wir auch zum schottischen Tweed.

PinwheelJeder Kantendetektor ist für nur eine Orientierung zuständig und meldet diese Präferenz, wenn er sie “sieht”, durch erhöhtes Feuern von Aktionspotentialen weiter. Jede mögliche Orientierung einer Kante im Gesichtsfeld wird von diesen spezialisierten Gehirnzellen mit Hilfe ihres sogenannten rezeptiven Felds gemessen. Stimmt die Orientierung im rezeptiven Feld nicht mit ihrer Präferenz überein und steht gar senkrecht dazu, bleibt sie stumm wie ein trotziges Kind vor einem Teller Spinat.

Das rezeptive Feld ist ein sehr abstraktes Konzept, wenn man es richtig definiert – oft wird es verkürzt als Bereich von Rezeptoren dargestellt.  Es lohnt sich aus mindestens zwei Gründen genauer darauf einzugehen. Erstens in diesem Beitrag, weil das Konzept mit der maximalen Feuerrate der Gehirnzellen zusammenhängt und diese Feuerrate ein sowieso schon überempfindliches Netzwerk überreizen kann.  Zweitens für den folgenden Beitrag, weil rezeptive Felder zusammen mit topographischen Gehirnkarten die Form visueller Halluzinationen erklären.

Ich stelle mir das rezeptive Feld einer Zelle in der Hirnrinde als einen optimalen Musterreiz vor, der meine Kantendetektoren am besten reizen kann. Der Reiz also, auf den der Kantendetektor im Gehirn mit seinem stärksten neuronalen Feuern antwortet. Um nochmal das Bild von oben zu bemühen: es sind nun Gummibärchen auf dem Teller.2 Die Präferenz perfekt getroffen.

Dieses Konzept ist genau deswegen abstrakt, weil das rezeptive Feld eine Art Referenz im Raum der Sinnesdaten3 ist, die allein durch die Art und Weise der neuronalen Vorverschaltungen existiert. An diese Stelle knüpfe ich im nächsten Beitrag über Halluzinationen an. Für jetzt reicht es völlig zu verstehen, dass Gehirnzellen auf bestimmte als elementar anzusehende Reize maximal antworten.


Normale (links) und abnormale (rechts) kortikale Verarbeitung.

Denken wir uns drei helle Lichtreize, die durch eine dunklen Vorder- oder Hintergrund kontrastreiche Kanten bilden. Kanten in unserem Gesichtsfeld sind nicht immer so offensichtlich wie die sehr scharfen Kanten bei schwarzen Buchstaben auf weißem Grund, doch eigentlich sind sie fast überall und treten in jeder Orientierung auf.


Hip-hop Neuroscience Fusion

Oben, in der ersten Reihe, sind drei aufeinander folgende Schnappschüsse aus dem Musikvideo Migraine der Gruppe ArtOfficial gezeigt. Darauf gehe ich im folgenden Beitrag noch genauer ein. Die visuellen Reize in diesen drei Szenen sind gerade noch im grünen Bereich (s. Schema links im Bild darüber), jedoch nur für eine Sehrinde, die nicht überempfindlich reagiert, und deren neuronale Kantendetektoren nicht über der normalen maximalen Feuerrate antworten. Bei einen Gehirn eines Migränikers ist beides, Überempfindlichkeit und Überreaktion, wahrscheinlich leider gegeben (s. Schema rechts).

Überempfindlichkeit und Überreaktion sind zwei unterschiedliche Konzepte (und dies ist schon vereinfacht zusammengefasst). Es können sowohl Schwellen, wann eine Gehirnzelle feuert, niedriger sein als auch die maximale Feuerrate höher. Jedes dieser beiden Konzepte für sich, und erst recht wenn beide zusammen zutreffen, kann eine neuronale Hirnaktivität erklären, die außer Kontrolle gerät, und so einen Migräenanfall durch visuelle Stimulation begründen.

Das ist zumindest momentan die Vorstellung, die Wissenschaftler entwickelt haben. Genau wissen wir es noch nicht, denn messen kann man diese Prozesse beim Menschen nicht direkt. Allerdings kann man mit psychophysikalischen Methoden indirekte Schlussfolgerungen mit einigem Geschick und großer systematischer Sorgfalt ziehen.

Die Psychologin Alex Shepherd, Expertin für derartige psychophysikalische Methodik, beschreibt die vielfältigen möglichen Mechanismen in einem Artikel 2006 so:

Differences between people with and without migraine on various measures of visual perception have been attributed to abnormal cortical processing in migraine, variously described by hyperexcitability, heightened responsiveness and/or a lack of intra-cortical inhibition.

[Unterschiede zwischen Menschen mit und ohne Migräne in verschiedenen Stufen der visuellen Wahrnehmung wurden abnormaler kortikaler Verarbeitung bei Migräne zugeschrieben, verschiedentlich beschrieben durch Übererregbarkeit, erhöhte Reaktionsfähigkeit und/oder ein Mangel an intra-kortikalen Inhibition.
(Übersetzung M.A.D.)]

Shepherd fährt fort und erklärt, dass die Ergebnisse aus ihrer Studie über Migräne nicht im Einklang mit einer Übererregbarkeit aus einem Mangel an Hemmung stehen sondern für eine überhöhte Unterdrückung der intra-kortikalen Erregung sprechen. Um zu dieser Schlussfolgerung zu kommen, hat sie spannende psychophysikalische Versuche mit dem Motion Aftereffect, auch als Brainwarp-Illusion oder Wasserfall-Illusion bekannt,4 durchgeführt.

Mit psychophysikalischen Methoden abnormale kortikale Verarbeitung zu entschlüsseln, ist, wie gesagt, sehr schwierig. Sorgfältig diskutiert Shepherd deswegen die Implikationen ihrer Ergebnisse für alternative Modelle der Übererregbarkeit, auf die ich nicht hier eingehen kann. Man sollte ihre Schlussfolgerung noch nicht als eindeutigen Beleg werten.

Von zentraler praktischer Bedeutung ist, was Shepherd in einer neueren Arbeit schreibt (Shepherd 2010) und den Lesern meines Blogs nur allzu bekannt ist (s. hier und hier).

The results demonstrate that visual stimuli are commonly reported as headache triggers. Those involved in the design of the visual environment could improve the quality of life of many by avoiding environmental factors, particularly visual factors, which can trigger headache and migraine.

[Die Ergebnisse zeigen, dass visuelle Reize häufig als Kopfschmerzauslöser genannt werden. Diejenigen, die mit der Gestaltung der visuellen Umgebung betraut sind, können die Lebensqualität von vielen verbessern durch die Vermeidung von Umweltfaktoren, insbesondere visuelle Faktoren, die Kopfschmerzen und Migräne auslösen.
(Übersetzung M.A.D.)]

Wer diese Studie zum Beispiel seinen Arbeitgeber auf den Tisch legen will oder seinem Partner, als Beleg für die Notwendigkeit einer neuen Inneneinrichtung, kann gerne eine PDF-Datei von mir bekommen. Oder einfach diesen Beitrag verschicken.

Auch wenn es nicht so detailliert in dieser Studie erwähnt ist, will ich folgendes aus meinen eigenen Überlegungen zu den theoretischen Grundlagen der kortikalen Physiologie zusammenfassen.

Rhythmische Bewegung in der Peripherie des gewöhnlichen Sichtbereiches, zum Beispiel am Arbeitsplatz ein Ventilator, ist nervtötend. Da muss gar kein Löwe kommen um Bewegungsdetektoren zu überreizen. Im Zentrum des Sichtbereiches sollten Muster gemieden werden, die sich wiederholend, aus flächenfüllenden Elementen aufbauen.  Fischgrat, Glencheck und Hahnentritt, all diese Textilmuster5 führen, etwas vereinfacht gleichwohl sehr treffend gesagt, zur Resonanzkatastrophe. Denn Spezialisten für Kanten sitzen in der Sehrinde ebenso wiederholend und flächenfüllenden in Windrädchen ähnlichen Elementen Pinwheel genannt (Farbkreis oben). Deckt sich dies mit einem Textilmuster oder anderen Mustern, feuern Gehirnzellen munter maximal. Satter bekommt man das neuronale Netzwerk nicht und dies könnte schließlich zu einem Zusammenbruch der kortikalen Homöostase führen, mein aktuelles Forschungsfeld. Wie genau der Zusammenbruch der kortikalen Selbstregulation vor sich geht, ist noch ungeklärt. Dass es geschehen kann, wissen Betroffene nur zu gut.

Im folgenden Beitrag “Hip-hop Neuroscience Fusion” schauen wir genauer auf die untere Reihe des letzten Bildes. Es wird die enge Beziehung zwischen visuellen Triggern und visuellen Halluzinationen aufgezeigt und damit die hier erwähnte Resonanzkatastrophe in der topographischen Pinwheel-Karte (bunte Abbildung rechts unten) durch visuelle Stimulationen erklärt.

 

Literatur

 

Shepherd, A.J. (2006) Local and global motion after-effects are both enhanced in migraine, and the underlying mechanisms differ across cortical areas. Brain, 129,1833-43.

Shepherd, A.J. (2010) Visual stimuli, light and lighting are common triggers of migraine and headache. Journal of Light and Visual Environment, 34, 94-100.

 

Fußnoten

1 Gehirnzellen sind also im allgemeinen Merkmalsdetektoren. Für das Merkmal “Richtung” (Wo kommt der Löwe her?) muss ich zum Beispiel mehr als nur die Orientierung kennen. Die Horizontale bleibt natürlich die Horizontale wenn ich sie um 180° drehe. Aber erst eine Drehung um 360° ergibt wieder die selbe Richtung. Denn es ist durchaus ein Unterschied, ob der Löwe sich auf mich zu oder von mir weg bewegt. Ich muss unterschiedlich reagieren und darauf weisen mich meine Gehirnzellen hin, die Richtung und nicht nur Orientierung detektieren.

2 Oder Schokomandeln. Wobei das trotzige Kind, das so gar keine Präferenz für Spinat hat, zwar stumm bleibt, sich aber nicht Tod stellt – Ausnahmen bestätigen hier die Regel. Ebenso können Kantendetektoren auch mal ab und zu feuern, wenn eine Kante vertikal zur ihrer  Präfernz auftaucht. Dieses Feuern ist die Grundaktivität, vergleichbar mit dem Atmen des Kindes, um im Bild zu bleiben. Das Bild ist übrigens nicht rein metaphorisch. Im Gehirn des Kindes mag es spezialisierte Zellen geben, die auf Gummibärchen und Schokomandeln präferiert antworten. Oder bei Erwachsenen auf Jennifer Aniston.

3 Es ist der Raum der Sinnesdaten nach meiner Auffassung. Ich bin allerdings nicht Experte in der Philosophie der Wahrnehmung. Es mag hier eine einschränkende Auffassung sein, die durch meine Arbeiten über Halluzinationen geprägt wurde. Dazu im folgenden Beitrag mehr.

4 Diese Illusion ist selbst ein möglicher Migräne-Trigger, deswegen binde ich keinen Film hier ein. Für Wagemutige und nicht Betroffene siehe die Wikipedia-Seite Motion Aftereffect.

5 Im Textilbereich werden solche Muster Rapport genannt, was wiederum  auch eine Zusammenkunft im Sinne “auf der selben empathischen Wellenlänge liegen” bedeutet. Treffender kann man die Resonanzkatastrophe gar nicht bezeichnen. Die etymologischer Perspektive auf “Rapport” wäre mal was für ein Sprachblog und ansonsten ist Migräne und Mode natürlich was für Les Mads.

Zitieren

Sie können den Beitrag zitieren.

Markus A. Dahlem. Satte Spezialisten überreizen das Gehirn. Graue Substanz. 2011-10-04.

Eine archivierte Form (WebCite®) ist hier verfügbar: http://www.webcitation.org/62BTdQgTF, nutzen Sie aber bitte für Links die URL:

https://scilogs.spektrum.de/blogs/blog/graue-substanz/2011-10-04/satte-spezialisten-ueberreizen-das-gehirn

 

© 2011, Markus A. Dahlem

(Der Beitrag kann auf Nachfrage zur Übernahme freigegeben werden.)

 

Markus Dahlem forscht seit über 20 Jahren über Migräne, hat Gastpositionen an der HU Berlin und am Massachusetts General Hospital. Außerdem ist er Geschäftsführer und Mitgründer des Berliner eHealth-Startup Newsenselab, das die Migräne- und Kopfschmerz-App M-sense entwickelt.

10 Kommentare

  1. Maximum Overload

    Erst einmal danke für diesen wieder mal gleichermaßen informativen wie verständlichen Beitrag.
    Das erklärt auch sehr schön, warum das Flimmern von sonnenbeschienenem Wasser bei mir (und vermutlich geht es vielen da nicht anders) mit nahezu 100%iger Sicherheit eine Migräneattacke auslöst – mehr schnell wechselnde Kontraste auf einmal kann man den armen überforderten Neuronen wohl kaum bieten.

    Nebenbei noch eine Selbstbeobachtung, die zum Konzept des überempfindlichen/überreagierenden Hirns passt: Auch außerhalb von akuten Migräneepisoden reagiere ich gelegentlich überempfindlich auf “Kleinkariertes” und ähnliches – mal mehr, mal weniger stark. Offenbar sind die Hirnzellen also nicht immer gleichmäßig hyperaktiv.

    Warte jetzt gespannt auf die angekündigte Fortsetzung. 🙂

  2. einfach so

    das heißt eine visuelle Aura kann ausschließlich durch einen passenden optischen Reiz ausgelöst werden? Keine visuellen Reize keine Aura?

  3. Nur ein Weg

    Nein, man kann die visuelle Aura ja auch zum Beispiel träumen.

    Es gibt zahlreiche Wege, wie die kortikale Selbstregulation (Homöostase) gestört werden kann. Der hier beschriebene ist nur einer, der vielleicht in einer sowieso schwankenden Regulation, insbesondere verstärk schwankend während der prodromal Phase, nur schneller zur Attacke führt.

  4. nur ein Weg

    ja, das dachte ich mir – genauso fühlt es sich auch an. Ich spüre es wenn eine Migräne auf der Lauer liegt, an solchen Tagen ist beinahe alles als Auslöser gut genug, dann kann auch ein Parfüm die Migräne starten.

    Manchmal denke ich das wir das sind was die Kanarienvögel früher im Bergbau waren. Ich glaube eine Migränikerwelt wäre auch für gesunde Leute ein behaglicher Ort.

  5. Windrädchen

    Ich würde gerne noch etwas fragen, angenommen ich habe eine Kante und eine spezialisierte Zelle. Wie lange könnte die Zelle diese Kante “zeigen”? So lange wie es nötig ist oder ist es vielleicht so das sich mehre Zellen abwechseln?

    Ich versuche zu verstehen warum es sich so ergeben hat das die Zellen im Windrädchen Format angeordnet sind.

  6. Windstille

    Die Windrädchen-Muster ergeben sich aus Gründen der Symmetrie, ohne dies nun weiter zu erklären. Das Muster dreht sich nicht. Es hat also nur die Anordnung wie ein still stehendes Windrädchen-Muster. Vielleicht gab es da ein Missverständnis

    Grundsätzlich adaptieren Zellen, also wenn lange eine Kante an ein und der selben Stelle (auf der Netzhaut!) gesehen wird, nimmt die Feuerrate auch wieder ab. Aber wir Bewegung unsere Augen ständig. Da ist schon einiges los in der Sehrinde.

  7. Träumen

    Bisher habe ich die Aura als Anzeichen eines unmittelbar bevorstehenden Migräneanfalls betrachtet, nicht als Auslöser.

    Wenn man eine visuelle Aura auch träumen kann, dann ist sie doch hier, genau wie die gesehenen Reize, als Auslöser zu verstehen.

    Die Frage, die sich nun aufdrängt: Kann ich einen Anfall vermeiden, wenn ich rechtzeitig aus dem Traum erwache oder ihn gänzlich vermeiden könnte?

  8. Aura träumen

    Einige Aspekte rund um die der Frage, ob die Aura die Kopfschmerzen auslösen kann, habe ich im Beitrag: Unbemerkte Aura angesprochen.

    Dass die Aura auch im Traum erlebt wird, ist zwar faszinierend, zumindest für mich, aber aus physiologischer Sicht wieder nicht so merkwürdig.

    Es gibt zumindest neue Erkenntnisse, dass die Aura (bzw, deren neurophysiologische Ursache Spreading Depression) die Kopfschmerzen verursachen kann. Aber ob dies immer geschieht und gar der einzige Mechanismus bei Migräne ist, wird noch stark bezweifelt und z.Z. erforscht.

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