Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zeitliche Struktur von Nervensignalen unterstützt präzise Navigation im Raum

03.04.2012
Bei der räumlichen Navigation spielt das Timing von Nervenimpulsen eine besondere Rolle.

Dies konnten nun Forscher an den Bernstein Zentren der HU Berlin und der LMU München zeigen. Im Zentrum der Untersuchungen standen Gitterzellen im Gehirn von Nagetieren. Die erst vor kurzem entdeckten Nervenzellen sind aktiv, wenn das Tier bestimmte Bereiche seiner Umgebung durchquert.


Bewegung (schwarze Linie) einer Ratte in einer kreisförmigen Umgebung, zusammen mit den Bereichen, an denen eine bestimmte Gitterzelle aktiv war (rote Punkte). Diese Bereiche bilden ein hexagonales Gitter. © Eric Reifenstein/ HU Berlin

Diese Bereiche bilden ein Gitter mit Sechseck-Struktur. Anders als bisher betrachteten die Wissenschaftler die Nervenimpulse in einzelnen Läufen des Versuchstieres und konnten damit nachweisen, dass das zeitliche Muster der neuronalen Entladungen vom Tier für die Steuerung seines Verhaltens verwendet werden kann.

Die neurobiologischen Grundlagen der räumlichen Orientierungsfähigkeit des Menschen untersuchen Forscher seit langem stellvertretend an Mäusen und Ratten. Vor wenigen Jahren wurden hierbei sogenannte „Gitterzellen“ entdeckt, die dann aktiv sind, wenn sich das Tier durch bestimmte Bereiche seiner Umgebung bewegt, die zusammen ein imaginäres Gitter mit hexagonaler Symmetrie bilden . Bisher ging man meist davon aus, dass das Gehirn räumliche Information aus dem zeitlichen Verlauf der mittleren Aktivität dieser Zellen berechnet, da man glaubte, dass einzelne Nervenimpulse zu ungenau seien.
Wissenschaftler an den Bernstein Zentren der Humboldt-Universität zu Berlin und Ludwig-Maximilians-Universität München haben nun aber das Gegenteil gezeigt: betrachtet man die zeitliche Abfolge der Nervenimpulse von Gitterzellen, so kann man den Aufenthaltsort des Tieres doppelt so genau vorhersagen wie durch die Anzahl der Nervenimpulse. Das zeitliche Entladungsmuster ist bereits in den einzelnen Läufen der Tiere deutlich ausgeprägt. „Präzise zeitliche Information steht also für die Steuerung von Verhalten zur Verfügung“, erklärt der Neurowissenschaftler und Leiter der Studie, Prof. Andreas Herz.

Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2004 durch die Gruppe von Prof. Edvard Moser (Trondheim) ziehen Gitterzellen viele Forscher in ihren Bann. Neben der faszinierenden Eigenschaft, geometrische Bezüge des Außenraums in ihrem mittleren Aktivitätsmuster abzubilden, scheinen diese Zellen auch interessante zeitliche Aktivitätsstrukturen relativ zur großräumigen EEG-Schwingung im betreffenden Gehirnareal aufzuweisen: Bewegt sich das Tier auf einen der imaginären Gitterpunkte einer Nervenzelle zu, so ist diese Zelle zuerst gegen Ende einer EEG-Periode aktiv. Im Verlauf der Bewegung verschieben sich die Zeitpunkte der Nervenimpulse dann tendenziell zu immer früheren Phasen der EEG-Schwingung, so dass sich insgesamt eine systematische Veränderung zwischen der Aktivität der Gitterzelle und dem großräumigen EEG-Rhythmus ergibt .

Dieses Phänomen war bislang jedoch nur als über viele Versuchsdurchläufe gemitteltes Resultat nachgewiesen, was Zweifel an seiner biologischen Relevanz zuließ. Die neue Untersuchung zeigt nun erstmals, dass die zeitliche Verschiebung der Nervenimpulse einer Gitterzelle schon in einzelnen Versuchsdurchläufen sichtbar ist – die Verschiebung ist sogar stärker als bei den über mehrere Läufe gemittelten Daten. Dieses Ergebnis unterstützt die Sichtweise, dass es in vielen Bereichen des Gehirns auf feine zeitliche Bezüge zwischen den Entladungen von Nervenzellen ankommt und nicht nur darauf, ob die Zellen stärker oder weniger aktiv sind. Selbst bei identischer Entladungsrate kann eine Nervenzelle damit viele unterschiedliche Signale verschlüsseln, was ihre Kapazität zur Informationsverarbeitung deutlich erhöht. Die Arbeit von Reifenstein et al. zeigt damit auch, dass die Leistungsfähigkeit des Gehirns noch größer ist als bisher vermutet.

Für ihre Studie werteten die Wissenschaftler die Daten früherer Arbeiten aus dem Labor von Prof. Moser neu aus. Einem modernen Trend in den Neurowissenschaften folgend, sind die Daten dieser Gruppe im Internet frei verfügbar, so dass kein einziger weiterer Tierversuch notwendig war.
Die Bernstein Zentren Berlin und München sind Teil des Nationalen Bernstein Netzwerks Computational Neuroscience (NNCN). Das NNCN wurde vom BMBF mit dem Ziel gegründet, die Kapazitäten im Bereich der neuen Forschungsdisziplin Computational Neuroscience zu bündeln, zu vernetzen und weiterzuentwickeln. Das Netzwerk ist benannt nach dem deutschen Physiologen Julius Bernstein (1835-1917).

Original-Publikation:
Reifenstein E T, Kempter R, Schreiber S, Stemmler M B, Herz A V M (2012): Grid Cells in Rat Entorhinal Cortex Encode Physical Space with Independent Firing Fields and Phase Precession at the Single-Trial Level. PNAS, doi: 10.1073/pnas.1109599109

Weitere Informationen erteilt Ihnen gerne:

Prof. Dr. Andreas V. M. Herz
Department Biologie II
Ludwig-Maximilians-Universität München
und Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience München
Grosshadernerstr. 2
82152 Planegg-Martinsried
Tel: 0049-89-2180-74801
email: herz@bio.lmu.de

Johannes Faber | idw
Weitere Informationen:
http://www.bccn-muenchen.de/
http://www.bccn-berlin.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie