ISBN
978-3-00-064888-5
Monografie von Dr. rer. nat. Andreas Heinrich Malczan
Im urtümlichen Pontocerebellum gab es pro Cortexcluster genau eine Purkinjezelle, diese empfing vom Nucleus ruber die Signale der zeitsensitiven Differenzabbildung des globalen Mittelwertes aus dem zugeordneten Cortexcluster. Dieses Signal erreichte über eine Rückprojektion wieder die Signalneuronen des zugehörigen Cortexclusters und führte dort zu einer gewissen Vorerregung.
Mit der Zunahme der Anzahl der cortikalen Signalneuronen der Klasse 5 und der Vergrößerung der cortikalen Cluster wurde das Mittelwertsignal eines Cortexclusters zunehmend höherfrequent. Das Striosomensystem prägten ihm Signalpausen auf. Die tetanische Erregung hatte eine bleibende Veränderung der synaptischen Kopplungsstärke zwischen den aktiven Parallelfasern und den Purkinjezellen, den aktiven Sternzellen und den aktiven Korbzellen zur Folge. Als Ergebnis änderte sich das Outputverhalten der Neuronen des Nucleus dentatus. Das bisherige Gleichgewicht zwischen der Erregungsstärke der Purkinjezellen und der Erregungsstärke der Dentatusneuronen wurde gestört, es blieb nun ein Restsignal übrig, welche dem Lebewesen zum Vorteil gereichte.
Wir unterstellen eine komplexere Form von LTP und LTD im Pontocerebellum, die dazu führt, dass ein Outputneuron des Nucleus dentatus auf eine bestimmte Signalkonstellation deutlich stärker reagiert. Diese Signalkonstellation bezeichnen wir als Prägungssignal. Den Vorgang der LTD und LTP bezeichnen wir als Prägung.
Das Prägungssignal entstamme einer Clustergruppe des Cortex und möge aus zwei Teilsignalen bestehen:
- Dem Innensignal Si aus dem Innencluster einer Clustergruppe.
- Dem Außensignal SA aus den Außencluster dieser Clustergruppe.Das Innensignal darf nicht das Nullsignal sein, es muss eine ausreichende Teilmenge der Cortexneuronen aus dem Innencluster aktiv sein. Es bildet die Grundlage für den Signalmittelwert.
Das zugehörige Mittelwertsignal endet über die Kletterfaser an der Purkinjezelle eines Cerebellum-Innenclusters.
Das Innensignal Si endet an erregenden Parallelfasern der Purkinjezelle des Cerebellum-Innenclusters.
Das Außensignal SA endet an hemmenden Stern- und Korbzellen des gleichen Cerebellum-Innenclusters.
Wenn das Outputneuron des Nucleus dentatus stärker auf das Komplexsignal S = Si + SA reagieren soll, muss die Purkinjezelle des Innenclusters von diesen Signalen weniger erregt werden.
Dazu wäre Folgendes erforderlich:
- Das Innensignal liegt an Parallelfasern an, deren synaptischen Kopplung durch das tetanische Kletterfasersignal vermindert wird, beispielsweise vom Kopplungswert 1 auf den Kopplungswert ½. So wird die Purkinjezelle vom Innensignal weniger erregt.- Das Außensignal liegt an den Stern- und Korbzellen, die im Sinne einer lateralen Hemmung die Purkinjezelle hemmen. Die synaptische Kopplungsstärke zur Purkinjezelle möge den Wert 1 besitzen. Durch die Einwirkung der tetanischen Erregung durch das Kletterfasersignal wird die synaptische Kopplung zwischen den Stern- bzw. Korbzellen zur Purkinjezelle verstärkt, z. B. von 1 auf 2. So wird die Purkinjezelle vom Außensignal stärker gehemmt.
- Da das tetanische Kletterfasersignal auch am Outputneuron des Nucleus dentatus endet, wird (wahrscheinlich) auch die synaptische Kopplung zwischen den aktiven Moosfasern des Komplexsignals und den Dentatusneuronen erhöht, z. B. von 1 auf 2. Damit wird das Outputsignal generell stärker.
Damit überlagern sich diese drei Effekte und bewirken, dass das erregende Outputneuron im Nucleus dentatus viel stärker auf genau dieses Komplexsignal reagiert als vor der Prägung, denn die Outputneuronen werden stärker erregt und weniger gehemmt.
Tritt das Prägungssignal später noch einmal auf, so ist die Antwort deutlich stärker. Wir bezeichnen das Prägungssignal nach der Prägung als Eigensignal der Purkinjezelle.
Durch die Prägung mittels LTD und LTP wird das Prägungssignal einer cortikalen Clustergruppe zum Eigensignal der Purkinjezelle des zugehörigen Cerebellumclusters. Diese reagiert nach der Prägung auf das nochmalige Auftreten ihres Eigensignals mit deutlich verminderter Hemmung des erregenden Outputneurons im Nucleus dentatus, so dass dessen Output auf das Eigensignal deutlich stärker ausfällt. Dadurch kann das Pontocerebellum in jedem Cluster genau ein Prägungssignal erlernen und später wiedererkennen. Der Erkennungsoutput erreicht das Pontocerebellum.
Jede Purkinjezelle kann also gemeinsam mit ihrem Outputneuron im Nucleus dentatus genau ein Prägungssignal erlernen und als Eigensignal abspeichern, indem die synaptischen Kopplungsstärken für dieses Komplexsignal dauerhaft und bleibend verändert werden. Insofern sind die Synapsen der beteiligten Interneuronen des Cerebellums die materiellen Orte, an denen die Signalspeicherung erfolgt.
Es ist jedoch zu bedenken, dass jede hinreichend starke, aber beliebige Signalkombination eines Innen- und eines Außensignals immer ein hinreichend starkes cortikales Mittelwertsignal generiert, welches die Purkinjezelle des Innenclusters über den Nucleus olivaris stark erregen würde. Dadurch würde eine erneute Prägung für diese neue Signalkombination auftreten. Das könnte sich beliebig wiederholen und würde jeden Lerneffekt zunichtemachen. Insgesamt gesehen reagierte die Purkinjezelle auf alle Komplexsignale mit stärkerem Output, solange sie eine Innenclusterkomponente mit einer Außenclusterkomponente verknüpften. Und nur solche Signale sollen künftig als Komplexsignale anerkannt werden.
Eine stärkere Outputreaktion auf Komplexsignale war für das Wirbeltier offenbar derart vorteilhaft, dass es zu einer Vergrößerung der Anzahl der Purkinjezellen führte.
Je mehr Purkinjezellen im Pontocerebellum vorhanden waren, umso mehr Komplexsignale konnte es erlernen, wenn der Prägungsalgorithmus noch etwas verfeinert wurde. Daher trat im Verlaufe der Evolution ein Prozess ein, der zu einer Zunahme der Anzahl der Purkinjezellen führen sollte. Hierzu war es lediglich nötig, dass jedes im Pontocerebellum eintreffendes Kletterfaseraxon - dessen Wachstumsrichtung mit derjenigen der Moosfasern übereinstimmte - mehrere hintereinanderliegende Purkinjezellen kontaktierte. Ein ähnliches Verhalten weisen die Moosfasern im Hippocampus auf: Sie kontaktieren eine Vielzahl von Körnerzellen des Hippocampus. Wichtig ist die sequentielle Art der kontakte. Wir bezeichnen diese Art der divergenten Verteilung eines Signals auf mehrere Signalempfänger als sequentielle Divergenz.
Im Verlaufe der Evolution kontaktierte eine Kletterfaser mehrere Purkinjezellen durch sequentielle Divergenz, ihre Anzahl nahm in der Evolutionsreihe langsam zu.
Die betreffenden Purkinjezellen erhielten zwangsläufig den gleichen Input wie zuvor die einzelne Purkinjezelle. Der Prägungsalgorithmus war ebenfalls identisch, so dass diese Purkinjegruppen anfänglich alle das gleiche Prägungssignal erlernten. Dies änderte sich jedoch mit dem Auftreten der Golgizellen.
Wie kann die Entstehung der Golgizellen erklärt werden? Wessen Abkömmlinge sind sie?
Auch zwischen den Signalneuronen der Klasse 6 im Cortex gab es bereits seit Urzeiten eine laterale Hemmung zur Kontrastverstärkung des Outputs. Die Mittelwertneuronen der Klasse 6 übertrugen diese Clusterkonkurrenz auf die Neuronen der Klasse 5 der Cluster. Diese neuronale Konkurrenz zwischen den Clustern wurde von den Moosfasern übernommen und an die Körnerzellen weitergereicht. Daher hemmten Körnerzellen, die zu einem Cerebellumcluster gehörten, die Körnerzellen der Nachbarcluster. Die dazu nötigen Interneuronen können als Abkömmlinge der hemmenden Interneuronen des Cerebellumcortex interpretiert werden, die die Clusterhemmung realisierten.
Golgizellen sind Abkömmlinge der hemmenden Interneuronen der Cerebellumrinde, Moosfaserneuronen sind die Abkömmlinge der cortikalen Signalneuronen. Körnerzellen sind Abkömmlinge der Moosfaserneuronen.
Die laterale Hemmung zwischen den cortikalen Signalen im Moosfasersystem erfolgt durch hemmende Interneuronen, deren Abkömmlinge im Körnerzellsystem die Golgizellen darstellen.
Der Moosfaserinput eines Clusters erregte die Golgizellen, die ihrerseits mit ihren Axonen an den Dendriten der Körnerzellen der Nachbarcluster andockten und sie hemmten, falls sie selbst erregt waren. So wurde die gegenseitige Hemmung der Cluster im Pontocerebellum realisiert. Im Spinocerebellum und im Vestibulocerebellum gab es eine analoge Entwicklung. Doch im Pontocerebellum ermöglichte dieser Algorithmus die Verhinderung der sogenannten Mehrfachprägung. Diese wird im nachfolgenden Text erläutert.
Die Zahl der Golgizellen ist etwas kleiner als die der Purkinjezellen. Wir unterstellen hier beispielhaft, auf eine Golgizelle kämen drei Purkinjezellen.
Golgizellen werden vom Kletterfasersignal erregt und von Purkinjezellen gehemmt. Denn das Kletterfasersignal ist der Mittelwert der Clustersignale, und diese erregen ja die Golgizelle.
Wir betrachten beispielhaft eine Gruppe aus drei hintereinander angeordneten Purkinjezellen, die nacheinander von der gleichen Kletterfaser kontaktiert werden. Als viertes Neuron möge die Kletterfaser eine Golgizelle kontaktieren. Der weitere Verlauf der Kletterfaser möge zunächst nicht interessieren.
Wir unterstellen, dass die drei Purkinjezellen mit einem Prägungssignal S1 geprägt werden. Sie mögen wegen ihres identischen Outputs genau ein gemeinsames Outputneuron im Nucleus dentatus aktivieren. Somit gibt es für diese drei Purkinjezellen nur ein gemeinsames Outputneuron im Nucleus dentatus. Für jedes geprägte Signal gibt es also zwei Reserve-Purkinjezellen, falls eine ausfällt, bleibt die Schaltung funktionsfähig. Nur der Ausfall aller drei Purkinjezellen führt zum Verlust des erlernten Eigensignals.
Purkinjegruppen enden jeweils mit einer Golgizelle und werden von der gleichen Kletterfaser aktiviert. Sie werden identisch geprägt. Ihr Output konvergiert auf das gleiche Dentatusneuron. Dieses meldet die Erkennung des geprägten Eigensignals an den Cortex.
Jede Golgizelle ist synaptisch mit der Kletterfaser verbunden, die die davor angeordneten Purkinjezellen kontaktiert. Während der Prägung aktiviert diese Kletterfaser mit ihrem starken Kletterfasersignal auch die Golgizelle, die stark erregt wird und den Signalfluss zu den Körnerzellen unterbricht. Damit erhalten die nachfolgenden Purkinjezellen weniger starke Parallelfasersignale, weil eine ganze Population von Parallelfasern quasi abgeklemmt wird. Genau genommen werden die Signale der Fremdcluster abgeklemmt. So erreichen die drei Purkinjezellen vor der Golgizelle die Prägungsschwelle früher, ihre LTD und LTP führt mit zeitlichem Vorsprung zur Prägung. In der Schwingungspause der Kletterfasersignale erkennen sie als erste das anliegende Prägungssignal, da es ihr Eigensignal wurde. Der Hemmungswegfall führt zu einem starken Outputsignal des zugehörigen Neurons im Nucleus dentatus.
Hier kommt die hemmende Rückwirkung des Nucleus dentatus auf den Nucleus olivaris zur Geltung. Jedes erregende Outputneuron des Nucleus dentatus aktiviert mit seiner Erregung ein hemmendes Projektionsneuron, dessen Axon zum Nucleus olivaris zieht und dort genau an dem Neuron andockt, welches das prägende Kletterfasersignal erzeugt hat. Damit wird das Kletterfasersignal stark geschwächt, so dass nachfolgende Purkinjegruppen nicht mehr mit diesem Komplexsignal geprägt werden.
Die hemmende Rückprojektion des Nucleus dentatus zum Nucleus olivaris dient der Verhinderung der Mehrfachprägung. Ohne Golgizellen und ohne diese hemmende Rückkopplung würden alle Purkinjegruppen eines Cerebellumclusters mit dem gleichen Prägungssignal geprägt werden.
Nun konnte das Pontocerebellum pro Cortexcluster mehrere, voneinander verschiedene Komplexsignale mittels LTD und LTP erlernen, weil es gelang, die Mehrfachprägung verschiedener Purkinjegruppen mit einem identischen Prägungssignal zu verhindern.
Jede geprägte Purkinjezelle reagiert mit deutlich geringerer Hemmung des zugeordneten Outputneurons des Nucleus dentatus auf ihr Eigensignal. Dadurch reagiert das Outputneuron deutlich stärker auf dieses Signal. Es meldet die Erkennung an den Cortex und erregt gleichzeitig ein angeschlossenes hemmendes Outputneuron, welches im Nucleus olivaris das Kletterfasersignal stärker hemmt, so dass es niederfrequent wird.
Somit fehlt allen übrigen Purkinjezellen, die an der gleichen Kletterfaser angeschlossen sind, die für die LTD und die LTP unbedingt notwendige tetanische Erregung durch das Kletterfasersignal. Keine nachfolgende Purkinjezelle an dieser Kletterfaser kann nun mit dem gleichen Komplexsignal geprägt werden. Eine Mehrfachprägung wird aktiv verhindert.
Wenn nun eine Kletterfaser während ihrer Ausbreitung im Pontocerebellum mehrere hintereinanderliegende Purkinjegruppen sowie die zwischen ihnen angeordneten Golgizellen kontaktierte, konnte so viele verschiedene Komplexsignale erlernt werden, wie es Purkinjegruppen gab.
Zuvor jedoch musste jede Purkinjezelle einer Purkinjegruppe synaptischen kontakt mit der Golgizelle aufnehmen, die sich am Schluss der Gruppe befand. Lag dann ein Fremdsignal an, so blieb jede Purkinjezelle der Gruppe stark erregt, denn nur das Prägungssignal konnte ihre Erregung deutlich minimieren. Mit dieser starken Erregung hemmte sie die Golgizelle am Gruppenende, so dass diese die Durchleitung der Moosfasersignale zu den Parallelfasern nicht unterbinden konnte. Daher erhielt die nachfolgende Purkinjegruppe das komplette Inputsignal und konnte, weil gleichzeitig das tetanische Kletterfasersignal aktiv war, mit diesem Signal geprägt werden. Weil das gleiche Kletterfasersignal jedoch die nachfolgende Golgizelle erregte, konnten nachfolgende Purkinjegruppen die Moosfasersignale nicht empfangen und daher nicht mit diesem Signal geprägt werden.
Die Prägung mit neuen Signalen in der Kette der Purkinjegruppen erfolgte schrittweise und sequentiell. Je mehr Purkinjegruppen existierten, umso mehr verschiedene Prägungssignale konnten sie erlernen.
Im Pontocerebellum konnten in jedem Cortexcluster genau so viele verschiedene Komplexsignale erlernt werden, wie es Purkinjegruppen gab, die an der von diesem Cortexcluster abgeleiteten Kletterfaser angeschlossen waren.
Zur Erinnerung: Aus dem Mittelwertsignal des Cortexclusters und dem davon abgeleiteten Striosomensignal wurde das Kletterfasersignal gewonnen und durch sequentielle Verteilung auf die in einer Reihe angeordneten Purkinjegruppen verteilt.
Die sequentielle Divergenz der Kletterfasersignale mag bei verschiedenen Spezies unterschiedlich stark ausgeprägt worden sein. Je mehr verschiedene Komplexsignale ein Wirbeltier erlernen konnte, umso spezifischer und angepasster wurden seine Reaktionen auf komplexe Reize. Dies verschaffte ihm einen Vorteil gegenüber anderen Arten, die dies nicht so gut vermochten.
Wie schon der Neurologe und Cerebellumexperte David Marr in [41] vermutete, stellt das Cerebellum eine Lernmaschine dar. Hier gibt es allerdings einen riesigen Unterschied zu lernfähigen Systemen, die durch neuronale Netze beschrieben werden. Neuronale Netze lernen durch langsame, schrittweise Veränderung der synaptischen Kopplungsstärke. Sie benötigen für ihren Lernprozess eine riesige Menge an Input und Zeit. Meist benötigen sie auch noch Korrekturmechanismen, die dafür sorgen, dass gewünschte Signalmuster erkannt werden. So werden Input und Output verglichen und über Korrekturmechanismen wird neuer, modifizierter Input bereitgestellt, um gewünschte Lernprozesse zu bewirken.
Das Cerebellum dagegen lernt von sich aus, und zum Erlernen eines Komplexsignal ist es lediglich erforderlich, dass dieses Komplexsignal für die Dauer von etwa einer Sekunde als Input zur Verfügung steht. Danach ist der Lernprozess für dieses Signal beendet, ab da wird es immer wiedererkannt.
Das extrem schnelle Erlernen geschieht über das Kletterfasersignal, das als Signalmittelwert im zugehörigen Cerebellumcluster eine tetanische Erregung der lernenden Purkinjezelle bewirkt, in deren Ergebnis LTP und LTD zur schlagartigen und dauerhaften Veränderung der synaptischen Stärke in den betreffenden Synapsen führt.
Das Kletterfasersignal ist der neuronale Schreibbefehl, mit dem das Einbrennen der Signale in der Purkinjezelle in extrem kurzer Zeit erfolgt. So ist das Cerebellum den theoretischen neuronalen Netzen tausendfach überlegen und hat mit gewöhnlichen Computerspeichern den Schreibbefehl gemeinsam. Seine neuronale Architektur entspricht einem sequentiellen Speicher, bei dem jede Speicherzelle, deren Prägungssignal an den Datenleitungen anliegt, mit einem Erkennungsoutput antwortet, während die erste freie Zelle das nächste, noch ungeprägte Komplexsignal erlernt, sobald es anliegt.
Eine weitere, starke Zunahme der Purkinjezellen im Pontocerebellum sollte in einer Phase erfolgen, die wir als zweite Erweiterungsphase des Pontocerebellums bezeichnen. Doch zuvor ist es erforderlich, die parallel stattfindende Entwicklung im olfaktorischen und limbischen System zu analysieren.