Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Nervenzellen kommunizieren

06.09.2007
Das menschliche Gehirn leitet elektrische Ströme ähnlich wie ein Glas Salzwasser

Die elektrischen Feldpotenziale, die Gehirnströme widerspiegeln, werden nicht durch die elektrische Leitfähigkeit des Gehirns beeinträchtigt. Wie Forscher vom Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen herausgefunden haben, leitet das Gehirn elektrische Ströme ähnlich wie Salzwasser. Dies impliziert, dass zum Beispiel die Signale eines Elektro-Enzephalogramms (EEG) die Eigenschaften der Nervenzellen oder Neuronen-Populationen korrekt wiedergeben und nicht durch passive elektrische Eigenschaften der Hirnsubstanz verfälscht werden (Neuron 6. September 2007).


Der spezifische Widerstand der grauen Substanz ist frequenzunabhängig. Bild: Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik, Tübingen

Die Grundlage der Sinnesverarbeitung im Gehirn bilden elektrische Impulse, mit denen die einzelnen Nervenzellen miteinander kommunizieren. Diese Signale laufen entlang der Nervenfortsätze und erlauben es dem Gehirn, Information gezielt von einem Areal oder Neuron zu einem anderen zu senden. Um nun das Gehirn zu verstehen, messen Wissenschaftler genau diese Hirnströme. Dies allerdings oft mit sehr ungenauen und großflächigen Methoden, wie zum Beispiel den Elektroden des Elektro-Enzephalogramms (EEG), die direkt auf dem Kopf platziert werden.

Um von den gemessenen Hirnströmen auf die Aktivität der Neurone schließen zu können, ist ein Verständnis der elektrischen Eigenschaften des Gehirns unerlässlich. Obwohl die Kommunikation der Neurone entlang der Nervenbahnen erfolgt, breiten sich die dabei entstehenden elektrischen Felder und Ströme in alle Richtungen aus. Diese diffuse Ausbreitung ergibt sich aus der Tatsache, dass das Gehirn ein mit Zellmembranen und Nervenfasern durchzogener Elektrolyt ist, das heißt zum größten Teil aus elektrisch leitfähigen Substanzen besteht, ähnlich wie Salzwasser. Nur aufgrund dieser diffusen Ausbreitung der elektrischen Nervenimpulse können Wissenschaftler die neuronale Aktivität außerhalb der Zellmembran und des Schädels überhaupt messen.

Bislang waren die elektrische Leitfähigkeit und ihr Einfluss auf die gemessenen Hirnströme leider nur unzulänglich bekannt. So wurde oft das Argument vorgebracht, dass die Hirnrinde wie ein kapazitiver Filter wirkt. Das würde bedeuten, dass die diffuse Ausbreitung elektrischer Signale von Ihrer Schwingungsfrequenz abhängt. Auch wenn diese Idee auf den ersten Blick seltsam anmutet, so lassen sich doch einige Beobachtungen damit erklären. Zum Beispiel die Tatsache, dass Signale tiefer Frequenz im EEG eher unspezifisch sind und über große räumliche Abstände mit einander korrelieren, während Signale hoher Frequenz selektiv und räumlich sehr begrenzt zu sein scheinen.

Um diese Hypothese zu untersuchen, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik in Tübingen ein Messsystem entwickelt, dass es erlaubt den elektrischen Widerstand der Hirnsubstanz für Ströme verschiedener Frequenz zu messen. Dies ist äußerst anspruchsvoll, da die Wissenschaftler dazu erst den Einfluss der Messapparatur auf den gemessenen Widerstand ausschließen mussten. Durch eine Modifikation der Kelvin Methode - hierbei werden vier Elektroden verwendet, zwei zum Einspeisen einer elektrischen Schwingung und zwei zu deren Messung - ist dies nun zum ersten Mal gelungen.

EEG-Messungen werden nicht verfälscht

Die Messungen haben die Hypothese der Hirnrinde als frequenzabhängigen Filter eindeutig widerlegt. Sie beweisen im Gegensatz dazu, dass die Hirnsubstanz elektrische Ströme mit den gleichen Eigenschaften leitet wie ein klassischer Ohmscher Widerstand - das Gehirn verhält sich in dieser Hinsicht wie ein Glas salziges Wasser. Insbesondere konnten wir zeigen, dass der spezifische Widerstand der grauen Substanz frequenzunabhängig und in alle Richtungen gleich ist. In der weißen Substanz, die vor allem aus Nervenverbindungen besteht und selbst keine Neurone enthält, ist dies allerdings anders. Hier hängt die Leitfähigkeit von der Messrichtung ab und ist in paralleler Richtung zu den Nervenverbindungen deutlich höher, aber auch hier ist die Leitfähigkeit für alle Schwingungen gleich.

Diese Erkenntnisse verbessern die Interpretierbarkeit von elektrophysiologischen Ableitungen enorm. Wie Wissenschaftler können jetzt mit Sicherheit sagen, dass die Eigenschaften der gemessenen Signale vor allem die Eigenschaften der Nervenzellen oder Neuronen-Populationen widerspiegeln, die diese Signal generieren, und nicht durch passive elektrische Eigenschaften der Hirnsubstanz verfälscht werden.

Originalveröffentlichung:

Nikos Logothetis, Christoph Kayser, Axel Oeltermann
In vivo Measurement of Cortical Impedance Spectrum in Monkeys: Implications for Signal Propagation

Neuron 55 (2007)

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/

Weitere Berichte zu: EEG Frequenz Hirnsubstanz Leitfähigkeit Nervenzelle Neuron

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Immunabwehr: Wie Proteine Membranbläschen zusammenbringen
28.06.2017 | Ruhr-Universität Bochum

nachricht Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
27.06.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Umfangreiche Fördermaßnahmen für Forschung an Chromatin, Nebenniere und Krebstherapie

28.06.2017 | Förderungen Preise

Immunabwehr: Wie Proteine Membranbläschen zusammenbringen

28.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das Auto lernt vorauszudenken

28.06.2017 | Maschinenbau