Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nervenzellen mit Rhythmusgefühl

25.08.2016

Neurowissenschaftler am Deutschen Primatenzentrum zeigen, wie Nervenzellen in Netzwerken miteinander kommunizieren

Denken, Fühlen, Handeln – unser Gehirn ist die Schaltzentrale im Kopf, die all unser Tun steuert. Ein Netzwerk aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen die durch rund 100 Billionen Synapsen miteinander verknüpft sind, bildet die Grundlage dafür. Wie dieses neuronale Netzwerk organisiert ist und wie der Informationsfluss zwischen verschiedenen Hirnarealen koordiniert wird, haben Neurowissenschaftler am Deutschen Primatenzentrum (DPZ) – Leibniz-Institut für Primatenforschung jetzt erstmals auf der Ebene einzelner Nervenzellen untersucht.


Schematische Darstellung der Netzwerkstruktur der Hirnareale AIP, F5 und M1. Graue Flächen: Module, rote, blaue und violette Punkte: Knotenpunkte oder hubs, blaue durchbrochene Linie: rich-club

Abbildung: Benjamin Dann

Durch Studien mit Rhesusaffen haben sie herausgefunden, dass die Nervenzellen in den verschiedenen Hirnarealen, die die Greifbewegungen unserer Hände kontrollieren, stark miteinander kommunizieren und in arealübergreifenden funktionellen Gruppen organisiert sind. Außerdem konnten sie zeigen, dass einige wenige Nervenzellen das Netzwerk steuern, indem sie als zentrale Knotenpunkte (hubs) fungieren und den Informationsfluss innerhalb des Nervenzellverbunds koordinieren.

Diese Knotenpunkt-Nervenzellen kommunizieren zudem sehr stark untereinander (rich-club) und bilden somit ein arealüberspannendes Rückgrat für Kommunikation. Interessanterweise unterscheidet sich die Art der Kommunikation der Knotenpunkt-Nervenzellen vom Rest des Netzwerks. So erfolgt deren Informationsweiterleitung durch rhythmische Aktivität, die untereinander gleichgeschaltet ist.

Dies lässt vermuten, dass größere Gruppen von Nervenzellen sich untereinander rhythmisch synchronisieren, um Bereiche des Gehirns miteinander zu verbinden und bestimmte Aufgaben zu bewältigen (eLife, 2016).

Die Leistungen unseres Gehirns wie Denken, Erinnern, Wahrnehmen und Bewegungssteuerung können nur durch die Interaktion des Nervenzellnetzwerks im Gehirn entstehen. Wie dieses Netzwerk aufgebaut ist, ist Gegenstand zahlreicher Forschungsprojekte. Durch theoretische mathematische Analysen und Hirnuntersuchungen wie Elektroenzephalografie (EEG) oder funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) ist bereits seit längerem bekannt, dass verschiede Regionen des Gehirns als ein komplexes Netzwerk organisiert sind, welches eine schnelle und fehlerresistente Informationsverarbeitung ermöglicht. Allerdings ist es mit diesen Methoden nicht möglich, die Aktivität einzelner Nervenzellen, der Grundbausteine des Gehirns, zu messen. Dies ist jedoch notwendig, wenn man verstehen will, wie beispielsweise neuronale Krankheiten wie Schizophrenie und Autismus entstehen.

Untersuchungen auf Nervenzellebene

„In unserer Studie wollten wir herausfinden, wie das Netzwerk einzelner Nervenzellen über mehrere Hirnareale organisiert ist“ sagt Benjamin Dann, Doktorand in der Abteilung Neurobiologie am Deutschen Primatenzentrum und Erstautor der Studie. „Außerdem wollten wir wissen, wie genau der Informationsfluss zwischen Nervenzellen verschiedener Hirnareale koordiniert wird.“

Dafür wurden drei Rhesusaffen darauf trainiert, wiederholt eine Greifaufgabe auszuführen. Während der Bewegung wurde die Aktivität ihrer Nervenzellen in drei verschiedenen Hirnarealen, dem anterioren intraparietalen Kortex (AIP), dem prämotorischen Kortex (F5) und dem primären Motorkortex (M1), mit sogenannten Mikroelektrodenarrays gemessen. Die Hirnregionen bilden zusammen ein neuronales Netzwerk, das die Planung und Ausführung von Handgriffen steuert.

Nervenzellen im rich-club feuern rhythmisch

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Nervenzellen aller drei Hirnareale ein stark verbundenes Netzwerk bilden, das wiederum in funktionellen Untereinheiten (Modulen) organisiert ist. Überraschenderweise entsprechen diese Module nicht genau den drei betrachteten Hirnarealen. 84 Prozent der Module waren nicht auf ein Areal begrenzt, sondern umfassten auch Nervenzellen der anderen beiden Areale. Darüber hinaus konnten sie zeigen, dass es innerhalb des Netzwerkes einzelne Nervenzellen gibt, die eine zentrale Funktion übernehmen.

„Diese Knotenpunkte oder hubs haben unverhältnismäßig mehr Verbindungen im Netzwerk als die übrigen Nervenzellen“, erklärt Benjamin Dann. „Zusätzlich sind sie stark untereinander verbunden und bilden einen sogenannten rich-club auf Zellebene, welcher dazu dienen kann, die Informationsweiterleitung im Netzwerk zu koordinieren.“

Darüber hinaus beobachteten die Wissenschaftler, dass die Nervenzellen im rich-club rhythmisch aktiv sind und auch mit dem Rest des Netzwerks rhythmisch kommunizieren. Die anderen Nervenzellen sind dagegen vorwiegend arrhythmisch aktiv. „Wir konnten damit erstmals zeigen, dass die rhythmische Aktivität in festen Frequenzen ein wichtiges Merkmal der zentralen, den Informationsfluss koordinierenden, hub- und rich-club-Nervenzellen darstellt“, fasst Benjamin Dann seine Ergebnisse zusammen.

„Wir vermuten, dass rhythmische Synchronität von Nervenzellen ein zentraler Mechanismus für schnelle und robuste Kommunikation innerhalb des gesamten Gehirns ist, mit der auch entfernte Gruppen von Neuronen funktionell verbunden werden können, um bestimmte Gedanken oder Handlungen auszuführen“.

Die Studie kann künftig dazu beitragen, neuronale Erkrankungen wie Schizophrenie oder Autismus besser zu verstehen, da diese unter anderem durch Störungen von rhythmischer Synchronität wie auch der Netzwerk-Struktur verursacht werden. Die genaue Kenntnis dieser Prozesse im Gehirn ist wichtig, um neue Therapien entwickeln zu können.

Originalpublikation

Dann, B., Michaels, J., Schaffelhofer, S., Scherberger H. (2016): Uniting functional network topology and oscillations in the fronto-parietal single unit network of behaving primates. eLife, DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.15719

Kontakt und Hinweise für Redaktionen

Benjamin Dann
Tel.: +49 551 3851-484
E-Mail: bdann@dpz.eu

Prof. Dr. Hansjörg Scherberger
Tel.: +49 551 3851-494
E-Mail: hscherberger@dpz.eu

Dr. Sylvia Siersleben (Kommunikation)
Tel.: +49 551 3851-163
E-Mail: ssiersleben@dpz.eu


Die Deutsches Primatenzentrum GmbH (DPZ) - Leibniz-Institut für Primatenforschung betreibt biologische und biomedizinische Forschung über und mit Primaten auf den Gebieten der Infektionsforschung, der Neurowissenschaften und der Primatenbiologie. Das DPZ unterhält außerdem vier Freilandstationen in den Tropen und ist Referenz- und Servicezentrum für alle Belange der Primatenforschung. Das DPZ ist eine der 88 Forschungs- und Infrastruktureinrichtungen der Leibniz-Gemeinschaft.

Weitere Informationen:

http://www.dpz.eu - Homepage Deutsches Primatenzentrum
http://www.dpz.eu/de/startseite/einzelansicht/news/nervenzellen-mit-rhythmusgefu... - Pressemitteilung und weitere Informationen
http://medien.dpz.eu/webgate/keyword.html?currentContainerId=3481 - Mediathek mit druckfähigen Bildern

Dr. Susanne Diederich | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bakterien aus dem Blut «ziehen»
07.12.2016 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

nachricht HIV: Spur führt ins Recycling-System der Zelle
07.12.2016 | Forschungszentrum Jülich

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: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Universum enthält weniger Materie als gedacht

07.12.2016 | Physik Astronomie

Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle

07.12.2016 | Physik Astronomie

Bakterien aus dem Blut «ziehen»

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie