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 Krebsdiagnostik: Pinkeln statt Piksen?
25.05.2018 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Kugelmühlen statt Lösungsmittel: Nanographene mit Mechanochemie
25.05.2018 | Technische Universität Dresden

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: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

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

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

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