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 Wegbereiter für Vitamin A in Reis
21.07.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Pharmakologie - Im Strom der Bläschen
21.07.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

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: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten