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 Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress
23.02.2018 | Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT)

nachricht Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für molekulare Genetik

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: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics