Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nervenzellen achten auf ihre Nachbarn

05.02.2010
Wissenschaftler entwickeln ein mathematisches Modell, das erklärt, wie Nervenzellen ihre Aktivität aufeinander abstimmen

In einem Orchester müssen die Einsätze der einzelnen Musikinstrumente sehr genau aufeinander abgestimmt sein. Auch im Gehirn ist die Aktivität der Milliarden von Nervenzellen, der Neuronen, "korreliert", wie es in der Neurowissenschaft heißt.

Nur so kann das Gehirn so erstaunliche Leistungen vollbringen, wie Musik hören oder einen Text lesen. Trotz der zentralen Bedeutung neuronaler Korrelation konnte noch nicht geklärt werden, wie und unter welchen Bedingungen sie zustande kommt. Wissenschaftler um Fred Wolf vom Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience und dem Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation haben nun eine mathematische Formel entwickelt, mit der genau vorhergesagt werden kann, wie und wann sich Neurone synchronisieren.

Jedes Neuron in der Hirnrinde (Kortex) erhält Informationen von etwa 30 000 anderen kortikalen Neuronen und sendet als Antwort darauf einzelne neuronale Impulse. Zumindest theoretisch könnte man sich vorstellen, dass es zwischen Eingangssignalen und neuronaler Antwort einen einfachen Zusammenhang gibt: Teilen zwei Neurone 1/10 der Eingangssignale, so sind auch 1/10 ihrer Antwortsignale gleich. Aber so einfach rechnen Neurone nicht. Die vielfältigen elektrischen Eingangssignale, die ein Neuron erhält, führen zu Fluktuationen in der Spannung über ihrer Membran. Sobald die Membranspannung einen Schwellenwert erreicht, sendet das Neuron selbst ein Signal aus.

Den Göttinger Wissenschaftlern ist es nun gelungen, die neuronale Umwandlung von Eingangs- in Ausgangssignale in einer relativ einfachen mathematischen Formel zusammenzufassen. "Die Umsetzung von Spannungen in digitale Signale durch Mikroprozessoren im Computer funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip", sagt Tatjana Tchumatchenko, Doktorandin an der Göttingen Graduate School for Neurosciences and Molecular Biosciences (GGNB) der Universität Göttingen, die die mathematische Analyse durchgeführt hat. "Auch in der Computertechnik ist die Frage nach der Korrelation digitaler Signale von Bedeutung. Beispielsweise wenn verschiedene parallele Transistorelemente ähnliche Eingangssignale erhalten und man die Stabilität der Ausgangssignale vorhersagen möchte".

Wie die Forscher zeigen konnten, hängt die Korrelation der Antwortsignale zweier Nervenzellen nicht nur davon ab, wie ähnlich sich die jeweiligen Eingangssignale sind, sondern auch davon, wie aktiv die Zellen sind. Senden die Neurone in schneller Folge viele Signale - ihre Aktivität, die so genannte Feuerrate, ist hoch - sind auch die Antwortsignale stärker korreliert. Dies gilt aber nur, wenn die Neurone lediglich einen Bruchteil ihrer Eingangssignale teilen. Die Regeln ändern sich drastisch, wenn die Neurone weitgehend von gemeinsamen Eingangssignalen angeregt werden und sie entsprechend ähnliche Antwortsignale produzieren. In diesem Fall spielt die Feuerrate keine Rolle. Diese Aussagen aus ihrem mathematischen Modell konnten die Wissenschaftler direkt experimentell bestätigen, indem sie Zellen mit im Computer nachgebildeten Gehirnströmen angeregt und ihre jeweiligen Antwortsignale gemessen haben.

Schon lange debattieren Neurowissenschaftler die Frage, wie das Gehirn Informationen in der elektrischen Aktivität neuronaler Signale kodiert. In einigen Fällen scheint die Feuerrate ausschlaggebend zu sein, in anderen Fällen das exakte Timing eines neuronalen Impulses relativ zu anderen Signalen. Mit ihrer Arbeit haben die Göttinger Wissenschaftler und ihre Kollegen nun gezeigt, wie eng diese beiden Konzepte neuronaler Kodierung zusammenhängen und welche theoretische Beschreibung die sensorische Verarbeitung erfassen kann. So sind verschiedene Neurone in der Sehrinde beispielsweise auf bestimmte Aspekte der Bildverarbeitung spezialisiert: sie reagieren auf Farbe, Helligkeit, Orientierung oder Bewegungsrichtung. Vieles deutet darauf hin, dass Zellen, die den gleichen Gegenstand kodieren, ihre Signale synchronisieren, so dass zusammengehörige Information gemeinsam weitergegeben wird.

Originalpublikation:
Tatjana Tchumatchenko, Aleksey Malyshev, Theo Geisel, Maxim Volgushev and Fred Wolf. Correlations and Synchrony in Threshold Neuron Models. Physical Review Letters, Vol.104, No.5 (5. Februar 2010). DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.058102
Kontaktinformation:
Tatjana Tchumatchenko
Prof. Dr. Fred Wolf
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation
Bunsenstr. 10
37073 Göttingen
Tel.: 0551 - 5176 - 423 (Wolf)
0551 - 5176 - 550 (Tchumatchenko)
fred@nld.ds.mpg.de / tatjana@nld.ds.mpg.de

Dr. Katrin Weigmann | idw
Weitere Informationen:
http://www.bccn-goettingen.de/
http://www.ds.mpg.de/
http://www.uni-goettingen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Auf der molekularen Streckbank
24.02.2017 | Technische Universität München

nachricht Sicherungskopie im Zentralhirn: Wie Fruchtfliegen ein Ortsgedächtnis bilden
24.02.2017 | 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: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie