Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Stabilität im Neuronenfeuer

16.11.2015

Kortikale Interneurone verringern das Rauschen in neuronalen Antworten

Wissenschaftler des Bonner Forschungszentrums caesar haben in Zusammenarbeit mit dem Bernstein Center for Computational Neuroscience, dem Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik und dem Max Planck Florida Institute for Neuroscience einen möglichen Mechanismus entdeckt, wie Nervenzellen im Kortex bei der Umwandlung von sensorischen Signalen in neuronale Aktivität starke Schwankungen vermeiden.


Rekonstruktion einzelner Neuronen aus dem Kortex einer Ratte

Um Vorhersagen machen zu können, verwendeten die Forscher Computermodelle und überprüften diese anschließend in vivo an elektrophysiologischen Messungen.

Selbst einfachste sensorische Signale aktivieren im Kortex Millionen von Synapsen. Bislang war unklar, wie die wichtigsten Nervenzellen im Kortex, die Pyramidenzellen, diese mitunter stark verrauschten Ausgangssignale in eine stabile elektrophysiologische Antwort umwandeln.

Um sich der Antwort auf diese Frage zu nähern, untersuchten Wissenschaftler der Abteilung Behavior and Brain Organisation vom Bonner Forschungszentrum caesar, einem Institut der Max-Planck-Gesellschaft, wie Neurone aus der obersten Kortexschicht (L1) mit Neuronen aus tieferliegenden Schichten interagieren.

Warum ist diese oberste Kortexschicht so besonders? Sie enthält nur hemmende Neurone und Dendriten von erregenden Neuronen aus tieferen Schichten. In dieser obersten Schicht befinden sich nur wenige hemmende Neuronen. Diese sind aber perfekt angeordnet, um ihre Funktion auszuüben. Der genaue Mechanismus war bislang unklar, insbesondere bei Antworten auf sensorische Signale.

Mit Patch-Clamp-Methoden gelang es den Wissenschaftlern zunächst, die 3D-Morphologie der L1-Interneuronen zu rekonstruieren und die daraus gewonnenen anatomischen und elektrophysiologischen Informationen in ein bestehendes biophysikalisches Modell des somatosensorischen Kortex zu integrieren.

Computersimulationen anhand dieses Modells legten die Hypothese nahe, dass die hemmenden Interneurone die Variabilität der neuronalen Antworten auf die sensorischen Eingangssignale herabsetzen und so die Robustheit der neuronalen Muster kontrollieren, zumindest in den Dendriten.

Diese aus dem theoretischen Modell abgeleiteten Hypothesen konnten in vivo an Ratten durch eine Kombination von elektrophysiologischen und bildgebenden Verfahren mit Hilfe der 2-Photonen-Mikroskopie bestätigt werden:

Unterdrückten die Wissenschaftler die Aktivität der L1-Interneuronen, so konnten sie beobachten, dass die neuronalen Antworten über mehrere Messungen hinweg deutlich stärkeren Schwankungen unterworfen waren als bei aktiven Interneuronen. Hingegen blieb die Struktur der Signale unverändert.

Durch welchen Mechanismus wird dies bewerkstelligt? Durch weitere Simulationen wurde deutlich, dass distale dendritische Hemmung der Mechanismus ist, der am besten zu den Daten passt. Auf diese Weise können Interneurone kontrollieren, wie die Dendriten der Pyramidenzellen die sensorischen Eingangssignale verarbeiten.

„Eine distale dendritische Hemmung stellt möglicherweise ein – quer durch alle Sinnesmodalitäten – universelles Organisationsprinzip im Kortex dar, um gezielt die Robustheit der neuronalen Antwortmuster auf sensorische Ausgangssignale zu kontrollieren“, so Jason Kerr, einer der wissenschaftlichen Direktoren bei caesar.


Originalpublikation
Egger, R., Schmitt, A.C., Wallace, D.J., Sakmann, B., Oberlaender, M. & Kerr, J.N. (2015) “Robustness of sensory-evoked excitation is increased by inhibitory inputs to distal apical tuft dendrites“, Proc. Natl. Acad. Sci. USA [Epub ahead of print]

DOI: 10.1073/pnas.1518773112


Kontakt
Dr. Jason Kerr
Abteilung Behavior and Brain Organisation
Forschungszentrum caesar – ein Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Ludwig-Erhard-Allee 2
53175 Bonn, Deutschland
+49 (0)228 9656-103
jason.kerr(at)caesar.de

Weitere Informationen:

http://www.caesar.de/1387.html?&L=2

Dr. Jürgen Reifarth | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Auf der molekularen Streckbank
24.02.2017 | Technische Universität München

nachricht Sicherungskopie im Zentralhirn: Wie Fruchtfliegen ein Ortsgedächtnis bilden
24.02.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie