Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neurale Interaktionen in Zeiten der Stille

22.11.2012
Tübinger Neurophysiologen entwickeln neue Methode, um Nervenzellnetzwerke unseres Gedächtnisses zu untersuchen

Während wir schlafen, sendet der Hippocampus Nachrichten an die Großhirnrinde und transferiert unser kürzlich erworbenes Wissen ins Langzeitgedächtnis. Doch wie genau geschieht das? Tübinger Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik haben nun eine neuartige multimodale Methode entwickelt und haben erste Ergebnisse aus Versuchen mit anästhesierten und wachen Rhesusaffen publiziert.


Oszillationen im Hippocampus: Neurale Interaktionen während des Non-REM-Schlafs und Ruhephasen.

Nikos Logothetis / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik, Tübingen

Die neue Methodik verwendet Multikontaktelektroden in Kombination mit funktioneller Magnetresonanztomografie (fMRT) des gesamten Gehirns, um die weit verteilten Nervenzellnetzwerke abzubilden, die durch lokale, strukturspezifische neuronale Ereignisse aktiviert werden.

Der Hippocampus ist eine unserer ältesten Großhirnstrukturen. Viele invasive Studien an nicht-menschlichen Primaten und klinische Untersuchungen an Patienten haben gezeigt, dass der Hippocampus hauptsächlich für unser Langzeitgedächtnis verantwortlich ist. Er speichert Orte, Ereignisse und deren Zusammenhänge. Das heißt, er ist für die Speicherung der sogenannten deklarativen Gedächtnisinhalte zuständig. Ohne den Hippocampus kann ein Mensch zwar noch Handfertigkeiten wie das Spielen eines einfachen Instruments oder Fahrradfahrern erlernen, jedoch ohne jegliche Erinnerung an die Übungsstunden selbst.

Das deklarative Gedächtnis wird nach bisherigen Erkenntnissen in zwei aufeinander folgenden Schritten konsolidiert: In der ersten Phase, der Enkodierung, wird die Information aufgenommen: Der Hippocampus verbindet die noch labile Repräsentation in der Großhirnrinde mit lokalen Gedächtnisspuren. In den darauf folgenden Ruhe- oder Schlafphasen werden diese neuen Spuren gleichzeitig im Hippocampus und der Hirnrinde reaktiviert. Dadurch werden jene Verbindungen innerhalb der Großhirnrinde verstärkt, die den neu erlernten Inhalt bereits repräsentieren. Aber wie funktioniert der Dialog zwischen Hippocampus und Großhirnrinde, und wie kommuniziert der Hippocampus mit dem Rest des Gehirns?

Nikos Logothetis, Direktor der Abteilung für Physiologie kognitiver Prozesse am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen, und sein Team benutzten hierfür zum ersten Mal die von ihnen neu entwickelte Methode NET-fMRI – „Neural Event Triggered Functional Magnetic Resonance Imaging”. Bei dieser Methode werden vom Hirn selbst erzeugte Signale erfasst, welche vor allem während des Non-REM-Schlafs und den Ruhephasen auftreten. Die Signale werden dann dazu verwendet, Änderungen anderer Signale zu entdecken oder vorherzusagen. Hierzu gehören auch jene, welche mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie gemessen werden. In der vorliegenden Studie wurde ein für den Hippocampus charakteristisches Signal verwendet: die sogenannten „ripples“ sind sehr schnelle Schwingungen bei 80 bis 160 Hertz, die man sowohl in anästhesierten als auch wachen Rhesusaffen messen kann.

Die Neurophysiologen konnten so die Gehirnareale ermitteln, welche durchweg ihre Aktivität in Abhängigkeit zu den Ripples erhöht oder verringert haben. Mit Hilfe von Feldpotenziale aus dem Hippocampus, zeigten die Wissenschaftler, dass die kurzen Abschnitte aperiodischer, wiederkehrender Schwingungen eng mit den robusten Aktivierungen der Hirnrinde verbunden sind, die zeitgleich zu einer umfangreichen Unterdrückung anderer Hirnstrukturen auftreten.

Interessanterweise wurden jene Strukturen gehemmt, deren Aktivität den Dialog zwischen Hippocampus und der Großhirnrinde prinzipiell hätten behindern können. Die Unterdrückung der Thalamus-Aktivität, zum Beispiel, reduziert Hirnsignale, die im Wachzustand der Sinnesverarbeitung dienen. Die Unterdrückung der Basalganglien, der Brückenregion – die unter anderem für den REM-Schlaf verantwortlich ist – sowie des Kleinhirns zeigt an, dass Aktivität in anderen Gedächtnissystemen gehemmt wird. Diese werden unter anderem für das prozedurale Lernen, beispielsweise des Fahrradfahrens, benötigt.

Die Ergebnisse der Studie bieten grundlegende Einblicke in die globale Organisation des Gedächtnisses von Primaten, einer kognitiven Fähigkeit, die erst durch das Zusammenspiel weit verteilter neuronaler Netzwerke zustande kommt. Diese Einblicke wären weder ausschließlich mit der funktionellen Bildgebung, noch allein mit der klassischen Methode von Einzelzellableitungen möglich gewesen. Fähigkeiten wie Wahrnehmung, Aufmerksamkeit, Lernen und Gedächtnis können deshalb am besten mithilfe multimodaler Methoden wie der NET-fMRI untersucht werden. Die Bedeutung der Untersuchung von neuronalen Mechanismen kann nicht genügend betont werden, beruht doch die überwiegende Mehrheit hirnorganischer Ausfälle auf Fehlfunktionen großer neuronaler Netzwerke. Sie umfassen sowohl die Hirnrinde als auch die darunter liegende Kerngebiete.

Originalpublikation:
Logothetis, N.K., Eschenko, O., Murayama, Y., Augath, M., Steudel, T., Evrard, H.C., Besserve, M., Oeltermann, A. (2012) Hippocampal-cortical Interaction during Periods of Subcortical Silence. Nature. doi: 10.1038/nature11618

Weitere Informationen über die Forschung von Nikos Logothetis:
http://www.kyb.tuebingen.mpg.de/de/forschung/abt/lo.html

Kontakt:
Prof. Dr. Nikos Logothetis
E-Mail: nikos.logothetis@tuebingen.mpg.de

Stephanie Bertenbreiter (Public Relations)
Tel.: 07071 601-1792
E-Mail: presse-kyb@tuebingen.mpg.de

Das Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik forscht an der Aufklärung von kognitiven Prozessen auf experimentellem, theoretischem und methodischem Gebiet. Es beschäftigt rund 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus über 40 Ländern und befindet sich auf dem Max-Planck-Campus in Tübingen. Das MPI für biologische Kybernetik ist eines der 80 Institute und Forschungseinrichtungen der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

Stephanie Bertenbreiter | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.kyb.tuebingen.mpg.de/
http://www.tuebingen.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

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

nachricht Glykane als Biomarker für Krebs?
27.06.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: 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...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

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

Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen

27.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wave Trophy 2017: Doppelsieg für die beiden Teams von Phoenix Contact

27.06.2017 | Unternehmensmeldung

Warnsystem KATWARN startet international vernetzten Betrieb

27.06.2017 | Informationstechnologie