Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein neuronaler Code für das Kurzzeitgedächtnis

06.06.2008
Wissenschaftler aus Berlin und München haben herausgefunden, wie Informationen aus dem zellulären Kurzzeitgedächtnis ausgelesen werden können

Wenn das Gehirn Informationen verarbeitet, senden die Nervenzellen in schneller Folge elektrische Impulse in einem räumlichen und zeitlichen Muster. Diese neuronale Informationsweitergabe spielt sich im Bereich weniger Millisekunden ab und repräsentiert dennoch Informationen, die über längere Zeiträume erlebt oder aufgenommen wurden.

Welche zellulären Mechanismen einer solchen Komprimierung von Ereignisfolgen zu Grunde liegen können, haben nun Wissenschaftler der Bernstein Zentren für Computational Neuroscience anhand von elektrophysiologischen Experimenten und theoretischer Modellierung zeigen können. Die Arbeiten von Christian Leibold (Ludwig-Maximilians-Universität München), Richard Kempter (Humboldt-Universität zu Berlin), Dietmar Schmitz (Charité, Universitätsmedizin Berlin) und ihren Kollegen wurden in zwei aktuellen Publikation in den wissenschaftlichen Zeitschriften "Neural Computation" und "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America" veröffentlicht.

"Synaptische Fazilitierung" heißt der zelluläre Mechanismus, von dem angenommen wird, dass er dem Kurzzeitgedächtnis zu Grunde liegt. Wird nacheinander mehrmals ein Signal von einer Zelle zur nächsten übermittelt, verbessert sich die Wirksamkeit der Synapse, der Verbindungsstelle zwischen den Zellen. Auch wenn diese Verstärkung der Synapse nicht von Dauer ist, so wird sie doch ein paar Sekunden beibehalten - die Synapse "merkt" sich Ereignisse. "Erinnerungen, die so in der Synapse gespeichert sind, müssen vom Rest des Gehirns auch wieder ausgelesen werden", erklärt Leibold. Wie dies geschieht, diskutieren Leibold und seine Kollegen am Beispiel der räumlichen Navigation der Ratte.

Kennt sich die Ratte in einer Umgebung aus, hat sie für jeden Aufenthaltsort so genannte "Ortszellen". Sind Beispielsweise Ortszellen der Gebiete A und B aktiv, so befindet sich die Ratte im Schnittpunkt dieser beiden Gebiete. So lange die Ratte sich bewegt, unterliegen die Ortszellen im Hippocampus einer gemeinsamen Oszillation. Sie senden Signale bevorzugt im so genannten "Theta-Rhythmus" - vergleichbar mit Menschen, die nach einem Konzert im Takt klatschen. Dieser Rhythmus dient als Referenz, um den genauen Zeitpunkt neuronaler Entladungen zu messen. Je länger sich die Ratte an einem bestimmten Ort befindet, desto mehr weicht der Takt der betreffenden Ortszellen vom Theta-Rhythmus ab. So "weiß" die Ratte in jedem Augenblick nicht nur wo sie sich befindet, sondern auch wie lange sie sich schon in welchem Bereich aufhält.

Wie die Wissenschaftler aus Berlin und München zeigen konnten, lässt sich diese Phasenverschiebung durch "Synaptische Fazilitierung" erklären. Während die Ratte durch ein Ortsfeld läuft, erhält die betreffende Zelle im Hippocampus mehrmals Signale aus einer vorgeschalteten Gehirnregion. Die Übertragungseffizienz der Synapse steigt mit jedem Signal an und die Stärke des Signals nimmt zu. Durch die zunehmende Signalstärke feuert die Hippocampus-Zelle ihre neuronalen Impulse etwas schneller als zuvor und gerät damit aus dem Takt.

Wenn sich die Ratte anschließend von ihrem Spaziergang ausruht oder frisst, prägt sie sich - unbewusst - den durchlaufenen Pfad noch mal ein. In solchen Ruhephasen werden die besuchten Orte in umgekehrter Reihenfolge wieder abgespielt. Auch diesem "reverse replay" liegt möglicherweise synaptische Fazilitierung zu Grunde. Noch mehrere Sekunden nachdem die Ratte die Strecke von A über B nach C durchlaufen hat, enthalten die Synapsen Spuren dieser "Erinnerung" - die Synapsen der Ortszelle C sind am stärksten, die der Ortszelle A sind schon fast auf Normalniveau abgeklungen. Während die Ratte sich ausruht, werden die Ortszellen angeregt und geben diese "Erinnerung" Preis. Sie geben Signale entsprechend unterschiedlicher Signalstärke weiter. Auch hier wirkt sich die Signalstärke auf den genauen Zeitpunkt des nächsten Signals aus.

Diese Konvertierung von Signalstärke in eine zeitliche Kodierung wird durch neuronale Oszillationen unterstützt. In den Ruhephasen liegt allerdings kein Theta-Rhythmus vor, sondern es treten schnelle Feldpotential-Schwankungen auf, genannt "sharp wave ripples". Schon lange nimmt man an, dass sharp wave ripples eine wichtige Rolle bei der Festigung von Erinnerungen spielen. Wie während der sharp waves Erinnerungen aus dem Kurzzeitgedächtnis der Synapsen ausgelesen werden können, zeigt nun die Arbeit der Wissenschaftler aus Berlin und München.

Originalveröffentlichungen:
Leibold C., Gundlfinger A., Schmidt R., Thurley K., Schmitz D. und Kempter R. (2008).
Temporal compression mediated by short-term synaptic plasticity.
Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Mar 18;105(11):4417-22. DOI: 10.1073/pnas.0708711105
Thurley K., Leibold C., Gundlfinger A., Schmitz D. und Kempter R. (2007).
Phase precession through synaptic facilitation.
Neural Comput. 2008 May;20(5):1285-324. DOI: 10.1162/neco.2008.07-06-292
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Christian Leibold
Abteilung Biologie II- Neurobiologie
Ludwig-Maximilians-Universität München
Dr. Richard Kempter
Institut für Biologie - Theoretische Biologie
Humboldt-Universität zu Berlin
Prof. Dr. Dietmar Schmitz
Neuroscience Research Center
Charité Campus Mitte
Weitere Informationen:
http://www.nncn.de
http://sci.bio.lmu.de/neuralcomputation/ - Homepage Christian Leibold
http://itb.biologie.hu-berlin.de/~kempter/index.html - Homepage Richard Kempter
http://www.charite.de/schmitzlab/ - Homepage Dietmar Schmitz

Katrin Weigmann | idw
Weitere Informationen:
http://www.bernstein-zentren.de

Weitere Berichte zu: Kurzzeitgedächtnis Ortszelle Synapse

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Spot auf die Maschinerie des Lebens
23.08.2017 | Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen

nachricht Immunsystem kann durch gezielte Manipulation des Zellstoffwechsels reguliert werden
23.08.2017 | Medical University of Vienna

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Platz 2 für Helikopter-Designstudie aus Stade - Carbontechnologie-Studenten der PFH erfolgreich

Bereits lange vor dem Studienabschluss haben vier Studenten des PFH Hansecampus Stade ihr ingenieurwissenschaftliches Können eindrucksvoll unter Beweis gestellt: Malte Blask, Hagen Hagens, Nick Neubert und Rouven Weg haben bei einem internationalen Wettbewerb der American Helicopter Society (AHS International) den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden an einem Punkt in der Luft fliegen kann.

Die vier Kommilitonen sind im Studiengang Verbundwerkstoffe/Composites am Hansecampus Stade der PFH Private Hochschule Göttingen eingeschrieben. Seit elf...

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Zukunft des Leichtbaus: Mehr als nur Material einsparen

23.08.2017 | Veranstaltungen

Logistikmanagement-Konferenz 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Spot auf die Maschinerie des Lebens

23.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die Sonne: Motor des Erdklimas

23.08.2017 | Physik Astronomie

Entfesselte Magnetkraft

23.08.2017 | Physik Astronomie