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 Zellen auf Wanderschaft: Falten in der Zellmembran liefern Material für nötige Auswölbungen
23.11.2017 | Westfälische Wilhelms-Universität Münster

nachricht Neues Verfahren zum Nachweis eines Tumormarkers in bösartigen Lymphomen
23.11.2017 | Wilhelm Sander-Stiftung

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: Reibungswärme treibt hydrothermale Aktivität auf Enceladus an

Computersimulation zeigt, wie der Eismond Wasser in einem porösen Gesteinskern aufheizt

Wärme aus der Reibung von Gestein, ausgelöst durch starke Gezeitenkräfte, könnte der „Motor“ für die hydrothermale Aktivität auf dem Saturnmond Enceladus sein....

Im Focus: Frictional Heat Powers Hydrothermal Activity on Enceladus

Computer simulation shows how the icy moon heats water in a porous rock core

Heat from the friction of rocks caused by tidal forces could be the “engine” for the hydrothermal activity on Saturn's moon Enceladus. This presupposes that...

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Kinderanästhesie aktuell: Symposium für Ärzte und Pflegekräfte

23.11.2017 | Veranstaltungen

IfBB bei 12th European Bioplastics Conference mit dabei: neue Marktzahlen, neue Forschungsthemen

22.11.2017 | Veranstaltungen

Zahnimplantate: Forschungsergebnisse und ihre Konsequenzen – 31. Kongress der DGI

22.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Kinderanästhesie aktuell: Symposium für Ärzte und Pflegekräfte

23.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Seminar „Leichtbau im Automobil- und Maschinenbau“ im Haus der Technik Berlin am 16. - 17. Januar 2018

23.11.2017 | Seminare Workshops

Biohausbau-Unternehmen Baufritz erhält von „ Capital“ die Auszeichnung „Beste Ausbilder Deutschlands“

23.11.2017 | Unternehmensmeldung