Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schneller sehen dank Vorwarnung vom Zell-Nachbarn

27.09.2010
RUB Wissenschaftler entwickeln Modell für lokale Aktivitätswellen im Gehirn

Computermodell: Neuronale Felder simulieren Gehirnaktivität

Fällt ein Lichtreiz auf die Netzhaut des Auges, werden innerhalb von wenigen Zehntel Millisekunden Millionen von Nervenzellen im Gehirn aktiviert. Jede Nervenzelle in der primären Sehrinde erhält dabei mehrere tausend Signale sowohl von benachbarten als auch von weit entfernten Zellen, und sendet ebenso viele Signale aus.

Während in den letzten Jahrzehnten die individuellen Eigenschaften und Verbindungen innerhalb dieses Netzwerkes charakterisiert und die Übertragungseigenschaften einzelner Nervenzellen abgeleitet wurden,

ließ sich das komplexe Zusammenwirken verschiedener Zellaktivitäten noch nicht beschreiben. Das ist jetzt RUB-Wissenschaftlern der Bernstein Gruppe für Computational Neuroscience gelungen. Sie entwickelten ein Computer-Modell, das auf weitreichenden Interaktionen zwischen Nervenzellen aufbaut. Es erklärt unter anderem, wie Nervenzellen von Nachbarn „vorgewarnt“ werden, so dass sie Reize schneller verarbeiten können. Die Forscher berichten in PLoS Computational Biology.

Aktivitätswellen im Gehirn

Ausgangspunkt für die Forschungen ist ein Phänomen, das die Wahrnehmungspsychologie „line-motion“-Illusion nennt, weil eine Schein-Bewegung wahrgenommen wird: Farbstoffe, die elektrische Spannungsänderungen von Nervenzellen in Leuchtsignale umsetzen, helfen zu zeigen, wie das Aufblitzen eines Lichtpunktes im Gesichtsfeld eine lokale Aktivierung im Gehirn auslöst, die sich rasch wellenförmig ausbreitet. Diese Aktivitätswellen sind zum größten Teil unterschwellig und daher nicht wahrnehmbar. Erscheint hingegen kurze Zeit später ein zweiter, balkenförmiger Lichtreiz, so wird die zuvor ausgelöste Aktivitätswelle nach und nach überschwellig. Die Folge: Die Versuchsperson sieht den Lichtbalken nicht augenblicklich in seiner realen Länge, sondern so als würde er sich ausgehend vom zuvor präsentierten Lichtpunkt ausdehnen. Die neuronale Grundlage für diese wahrgenommene Scheinbewegung könnten Prozesse im Gehirn sein, die fortschreitende Aktivitätswellen auslösen.

Neuronale Felder

RUB-Wissenschaftlern um Dr. Dirk Jancke vom Institut für Neuroinformatik gelang nun zum ersten Mal die Darstellung dieser komplexen Interaktionsdynamiken in einem Computer-Modell. Sie nutzten dazu ein neuronales Feld, in dem simulierte Nervenzellen durch die Reichweiten ihrer Wechselwirkungen beschrieben werden. In einem solchen Feld sind eng benachbarte Zellen durch starke, weiter entfernte durch schwache Kopplungen charakterisiert. Zwei Schichten dieser Nervenzellgruppen, eine erregende und eine hemmende Schicht, sind so verschaltet, dass ein lokaler Erregungseingang eine sich schnell ausbreitende und wieder abklingende Aktivierung erzeugt. „Das heißt, die gesamte Felddynamik wird sowohl durch direkte sensorische Eingänge, als auch durch weitreichende Wechselwirkungen zwischen den Nervenzellen bestimmt“, erklärt Dr. Jancke. „Die Folge ist, dass Eigenschaften eines externen Reizes nicht einfach passiv abgebildet werden, sondern Nachbarzellen einen entscheidenden Einfluss auf die sich ausbildenden Aktivitätsmuster haben.“ Im diesem Modell führen die weitreichenden Wechselwirkungen zwangsläufig zu einer Voraktivierung entfernter Nervenzellen.

Nervenzellen werden vorgewarnt

Solche Voraktivierungen könnten eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung bewegter Objekte spielen. Denn durch neuronale Verarbeitungszeiten erfährt das Gehirn von Ereignissen in der Außenwelt stets mit Verzögerung. Dank der weitreichenden Interaktionen werden Nervenzellen gewissermaßen „vorgewarnt“, sind schneller aktivierbar, und können dadurch wertvolle Verarbeitungszeit einsparen.

Herausforderung: Mathematische Handhabbarkeit komplexer Reizkonstellationen

Was leistet ein solches Modell für das Verständnis von Gehirnprozessen? Neuronale Felder bieten eine mathematische Beschreibungsebene, die es erlaubt darzustellen, wie das Gehirn externe Ereignisse nicht nur abbildet, sondern durch Wechselwirkung zwischen Nervenzellen inter-„aktive“ Informationsverarbeitung betreibt und schließlich in bestimmten Grenzfällen das erzeugt, was wir Illusionen nennen. Die wichtige zukünftige Herausforderung ist der Einsatz solcher Feld-Modelle für komplexere visuelle Reizkonstellationen. Ein wesentlicher Vorteil des Konzepts könnte dabei sein, weitreichende Gehirnprozesse von der Aktivität einzelner Nervenzellen zu abstrahieren und so Funktionen des gesamten Netzwerkes mathematisch handhabbar zu machen.

Titelaufnahme

Markounikau V, Igel C, Grinvald A, Jancke D (2010). A Dynamic neural field model of mesoscopic cortical activity captured with voltage-sensitive dye Imaging. PLoS Comput Biol 6, e1000919. doi:10.1371/journal.pcbi.1000919.

http://www.ploscompbiol.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pcbi.1000919

Weitere Informationen

Dr. Dirk Jancke, Bernstein Group for Computational Neuroscience, Institut für Neuroinformatik ND 03/70, Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Germany, Tel: 0234/32 27845, E-Mail: jancke@neurobiologie.rub.de, http://homepage.ruhr-uni-bochum.de/Dirk.Jancke/

Redaktion: Meike Drießen

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/
http://homepage.ruhr-uni-bochum.de/Dirk.Jancke/
http://www.ploscompbiol.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pcbi.1000919

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Kupferhydroxid-Nanopartikel schützen vor toxischen Sauerstoffradikalen im Zigarettenrauch
30.03.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Nierentransplantationen: Weisse Blutzellen kontrollieren Virusvermehrung
30.03.2017 | 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: Atome rennen sehen - Phasenübergang live beobachtet

Ein Wimpernschlag ist unendlich lang dagegen – innerhalb von 350 Billiardsteln einer Sekunde arrangieren sich die Atome neu. Das renommierte Fachmagazin Nature berichtet in seiner aktuellen Ausgabe*: Wissenschaftler vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben die Bewegungen eines eindimensionalen Materials erstmals live verfolgen können. Dazu arbeiteten sie mit Kollegen der Universität Paderborn zusammen. Die Forscher fanden heraus, dass die Beschleunigung der Atome jeden Porsche stehenlässt.

Egal wie klein sie sind, die uns im Alltag umgebenden Dinge sind dreidimensional: Salzkristalle, Pollen, Staub. Selbst Alufolie hat eine gewisse Dicke. Das...

Im Focus: Kleinstmagnete für zukünftige Datenspeicher

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Chemikern der ETH Zürich hat eine neue Methode entwickelt, um eine Oberfläche mit einzelnen magnetisierbaren Atomen zu bestücken. Interessant ist dies insbesondere für die Entwicklung neuartiger winziger Datenträger.

Die Idee ist faszinierend: Auf kleinstem Platz könnten riesige Datenmengen gespeichert werden, wenn man für eine Informationseinheit (in der binären...

Im Focus: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Nierentransplantationen: Weisse Blutzellen kontrollieren Virusvermehrung

30.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Zuckerrübenschnitzel: der neue Rohstoff für Werkstoffe?

30.03.2017 | Materialwissenschaften

Integrating Light – Your Partner LZH: Das LZH auf der Hannover Messe 2017

30.03.2017 | HANNOVER MESSE