Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Präzise Signalweitergabe im Gehirn

09.06.2010
Wissenschaftler der Universität Freiburg untersuchen, warum das Gehirn Signale produziert, die die Aktivität von Nervenzellen unterdrückt, nachdem sie gerade angeregt wurden

Bei jeder Sinneswahrnehmung verarbeitet das Gehirn die aufgenommenen Informationen Schritt für Schritt in aufeinander folgenden Ebenen. Neurone in jeder Ebene geben Signale in Form von elektrischen Impulsen an die nächste Ebene weiter.

Dabei gibt es zwei Sorten von Signalen: solche, die die Aktivität der nachgeschalteten Zelle aktivieren, so genannte erregende Signale, und solche, die ihre Aktivität hemmen – inhibierende Signale. Das mag zunächst widersprüchlich erscheinen: Warum sollte das Gehirn Energie aufwenden, um seine eigene Aktivität zu unterdrücken? Dr. Jens Kremkow und Prof. Dr. Ad Aertsen vom Bernstein Center for Computational Neuroscience und Institut für Biologie III der Universität Freiburg haben nun – gemeinsam mit Kollegen aus Marseille – im Computermodell die Rolle inhibierender Verschaltungen bei der Weiterleitung von Informationen im Gehirn untersucht. Sie zeigen, dass sie für eine präzise Signalweitergabe sehr von Vorteil sind.

Eine Nervenzelle erhält von der gleichen vorgeschalteten Struktur oftmals sowohl erregende als auch inhibierende Signale, wobei das hemmende Signal wenige Millisekunden nach dem erregenden Signal eintrifft. Dem liegt eine bestimmte Verschaltungsstruktur zugrunde, die so genannte „Feed Forward Inhibition" (FFI). In ihrer Studie haben die Wissenschaftler untersucht, welchen Einfluss FFI auf die Signalweitergabe im Gehirn hat – zum einen auf der Ebene einzelner Zellen, zum anderen für komplexere Netzwerke.

Bei einzelnen Nervenzellen führt FFI dazu, dass die Zellen wie ein Filter für gleichzeitige Signale funktionieren. Das lässt sich recht einfach und ganz ohne Computersimulation erklären. Jede Nervenzelle bekommt Signale von Tausenden von vorgeschalteten Zellen und „summiert" diese Eingangssignale. Erst wenn ein bestimmter Schwellenwert erreicht wird, sendet die Zelle selbst ein Signal – sie „feuert". Folgt jedem erregenden Signal ein inhibierendes Signal, wird dieser Schwellenwert nur schwer erreicht. Jedes „Plus", das die Zelle zählt, wird sehr bald durch ein „Minus" aufgehoben. Nur wenn sehr viele erregende Signale gleichzeitig eintreffen, so dass der Schwellenwert erreicht wird, bevor die inhibierenden Signale nachfolgen, hat die Zelle eine Chance, zu feuern. Für die Weitergabe von Informationen im Gehirn kann ein solcher Filter für Gleichzeitigkeit von Bedeutung sein, denn Sinneswahrnehmungen führen oft zu synchroner – also gleichzeitiger Aktivität von Nervenzellen im Gehirn. Diese werden dann bevorzugt weitergeleitet.

Im Nervensystem werden Signale über Gruppen von Nervenzellen von Verarbeitungsstufe zu Verarbeitungsstufe weitergereicht. In Computersimulationen untersuchten die Freiburger Wissenschaftler, wie FFI die Signalweitergabe in einer solchen Struktur beeinflusst. Auch hier, so zeigten sie, führt FFI zu einer Selektion von synchronen Signalen – asynchrone Signale werden herausgefiltert. Wie synchron das Signal sein muss, damit es transportiert wird, hängt von der Stärke des inhibierenden Signals und von der Verzögerungszeit zwischen erregendem und inhibierendem Signal ab. Somit kann im Nervensystem über diese Faktoren die Weiterleitung von Signalen feinreguliert werden. Zusätzlich zeigten die Forscher, dass die Hintergrundaktivität des Netzwerks, in das die neuronale Struktur zur Signalweitergabe eingebettet ist, durch inhibierende Signale in einem Zustand gehalten wird, der die Signalweitergabe fördert. Insgesamt trägt Inhibition in Form von FFI also dazu bei, dass synchrone Signale effektiv und selektiv im Gehirn transportiert werden.

Originalpublikation: Jens Kremkow, Laurent U. Perrinet, Guillaume S. Masson and Ad Aertsen. Functional consequences of correlated excitatory and inhibitory conductances in cortical networks. Journal of Computational Neuroscience, Online 19. Mai 2010

DOI: 10.1007/s10827-010-0240-9

Kontaktinformation:
Dr. Jens Kremkow, Prof. Dr. Ad Aertsen
Institut für Biologie III, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
e-mail: kremkow@biologie.uni-freiburg.de / ad.aertsen@biologie.uni-freiburg.de
Tel: +49(0) 761 203 2861

Dr. Katrin Weigmann | idw
Weitere Informationen:
http://www.nncn.de
http://www.bccn.uni-freiburg.de/
http://www.uni-freiburg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neurobiologie - Die Chemie der Erinnerung
21.11.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Diabetes: Immunsystem kann Insulin regulieren
21.11.2017 | Universität Basel

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: 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...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

Neues Elektro-Forschungsfahrzeug am Institut für Mikroelektronische Systeme

21.11.2017 | Veranstaltungen

Raumfahrtkolloquium: Technologien für die Raumfahrt von morgen

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wasserkühlung für die Erdkruste - Meerwasser dringt deutlich tiefer ein

21.11.2017 | Geowissenschaften

Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern

21.11.2017 | Physik Astronomie

Zentraler Schalter

21.11.2017 | Biowissenschaften Chemie