Unser Gehirn misst die Zeit auf verschiedenen Skalen. Die bekannteste unserer inneren Uhren steuert unseren tageszeitlichen Rhythmus und bestimmt darüber, wann wir müde werden, wann wir aufwachen und wie sich unser Stoffwechsel der Tageszeit anpasst. Weniger erforscht ist, wie unser Gehirn kleinere Zeitskalen von Sekunden bis Minuten abschätzt. Eine Vermutung ist, dass es sich dazu auf regelmäßige Aktivitätsmuster bestimmter Gruppen von Nervenzellen verlässt, ähnlich wie auf das Ticken einer Uhr. Doch anders als bei einer Uhr könnten solche Nervenzellen mal schneller und mal langsamer „ticken“ und so das Zeitempfinden verschieben. Bislang war es allerdings schwierig, diese Hypothese experimentell zu überprüfen.
Neuronale Wellen zur Zeitmessung
Nun hat ein Team um Tiago Monteiro von der Champalimaud Foundation in Lissabon an Ratten nachgewiesen, dass sich das Gehirn tatsächlich auf die neuronale Aktivität in einer Hirnregion namens Striatum verlässt, wenn es kleine Zeitskalen abschätzt. Die Muster dieser neuronalen Aktivität vergleicht Monteiros Kollege Joseph Paton mit einem ins Wasser fallenden Stein: „Der Stein erzeugt Wellen, die sich auf der Oberfläche in einem wiederholbaren Muster ausbreiten. Wenn man die Muster und Positionen dieser Wellen untersucht, kann man ableiten, wann und wo der Stein ins Wasser gefallen ist“, erklärt er. „So wie die Geschwindigkeit, mit der sich die Wellen bewegen, variieren kann, so kann sich auch das Tempo, mit dem diese Aktivitätsmuster in neuronalen Populationen fortschreiten, verändern.“
Um nachzuweisen, dass die Geschwindigkeit dieser neuronalen „Wellen“ tatsächlich mit zeitabhängigen Entscheidungen zusammenhängt, trainierten die Forschenden Ratten darauf, zwischen verschiedenen Zeitintervallen zu unterscheiden. Wenn die durstigen Ratten nach einem Signal eine vorgegebene Zeit warteten, erhielten sie zur Belohnung einen Tropfen Wasser. Je nach Signal mussten sie dabei abschätzen, ob eine Zeitspanne länger oder kürzer als 1,5 Sekunden war. Währenddessen maßen die Forschenden die Aktivität im Striatum der Tiere, einem Teil der Basalganglien im Großhirn, der an der motorischen Kontrolle beteiligt ist und schon früher mit zeitabhängigen Entscheidungen in Verbindung gebracht wurde.
Wenn die innere Uhr schneller oder langsamer tickt
Und tatsächlich: Wenn die Ratten ein bestimmtes Zeitintervall länger einschätzten, war eine schnellere neuronale Aktivität im Striatum zu beobachten, wenn sie es kürzer einschätzten, eine langsamere Aktivität. Als nächstes testete das Team, ob dieser Korrelation ein kausaler Wirkzusammenhang zugrunde liegt. „Dazu brauchten wir eine Möglichkeit, diese Dynamik experimentell zu manipulieren, während die Tiere Zeiteinschätzungen abgaben“, erklärt Monteiro. „Wir nutzten die Temperatur, um die Geschwindigkeit der neuronalen Dynamik zu verändern, ohne das Muster zu stören.“ Das Team implantierte den trainierten Ratten ein kleines thermoelektrisches Gerät, das das Striatum auf Knopfdruck erwärmte oder abkühlte.
