Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Extremereignisse im Gehirn

25.02.2016

Physiker der Universitäten Bonn und Oldenburg haben ein Modell entwickelt, dessen Verhalten – obwohl es auf strengen Regeln basiert – sich scheinbar spontan ändern kann. Auch in der Natur kommt es häufig zu derartigen Wechseln, etwa bei der Entstehung von Migräne-Attacken oder epileptischen Anfällen. Der von den Forschern erstmalig beschriebene Mechanismus könnte dazu beitragen, Extremereignisse wie diese besser zu verstehen. Die Arbeit erscheint in Kürze im Fachmagazin Physical Review X, ist aber bereits online abrufbar.

Über den Computer-Bildschirm ziehen unregelmäßige feuerrote Ringe. Sie vergrößern sich, verschmelzen miteinander, lösen sich auf, bilden Nachkommen – ein stetiger Kreislauf aus Entstehen und Vergehen. Doch plötzlich wird der Schirm dunkel; die Ringe sind verschwunden.


Chaotischer Sattel, der das Verhalten des in Bonn und Oldenburg entwickelten Modells beschreibt. Man kann sich ihn vereinfacht als gebogenen Pferdesattel vorstellen, auf dem eine Kugel entlangrollt.

(c) Grafik: AG Neurophysik/Uniklinik für Epileptologie Bonn

Ein paar Sekunden lang tut sich nichts. Dann beginnt die dunkle Fläche zu pulsieren. Sie ändert rhythmisch ihre Farbe, kaum wahrnehmbar zunächst, doch dann immer deutlicher. Kurz darauf ein zweiter Wechsel: Die gesamte Fläche blitzt plötzlich rot auf. Schließlich erscheinen die Ringe wieder; das Extremereignis ist vorbei.

So ähnlich könnte es im Gehirn aussehen, wenn sich eine Migräne-Attacke anbahnt oder ein epileptischer Anfall entsteht: Plötzlich geraten Milliarden von Neuronen zur selben Zeit in einen Ausnahmezustand. Die Regeln, denen sie normalerweise gehorchen, scheinen mit einem Mal außer Kraft gesetzt.

Die Software, die in dem Büro der Klinik für Epileptologie am Bonner Universitätsklinikum ihre Ergebnisse auf den Computerschirm malt, zeigt ein ganz ähnliches Verhalten: Scheinbar aus dem Nichts heraus, in völlig unvorhersagbaren Abständen, wechselt das zugrunde liegende Modell seine Dynamik. Das Erstaunliche daran: Es gehorcht eigentlich einfachen Regeln, die dennoch so etwas wie Zufall erzeugen.

Small-World-Effekte

Das Modell ist ein Geflecht von vielen tausend Einzelelementen, den Knoten. Diese sind miteinander vernetzt – sie können also miteinander kommunizieren und einander beeinflussen. Sie sprechen dabei nicht nur mit ihren Nachbarn, sondern auch mit einigen weit abgelegenen Knoten. Wissenschaftler sprechen von einem „Small-World“-Netzwerk. Ganz ähnlich kommunizieren auch die Nervenzellen im Gehirn miteinander.

Obwohl die Kommunikationsregeln genau festgelegt sind, zeigen derartige Netzwerke ein sehr komplexes Verhalten. Das liegt einerseits an der Vielzahl der Knoten, andererseits aber auch an der Verdrahtung dieser Knoten untereinander. „Wir konnten nun zeigen, dass sich das Verhalten derartiger Netzwerke spontan ändern kann“, erklärt Gerrit Ansmann, Erstautor der Arbeit und Doktorand in der Arbeitsgruppe Neurophysik. „Diese Wechsel erfolgen aber nur unter bestimmten Rahmenbedingungen“, erläutert Prof. Dr. Klaus Lehnertz, Leiter der Arbeitsgruppe. „Wir hoffen, mit unserem Modell besser verstehen zu können, unter welchen Bedingungen es im Gehirn zu Extremereignissen kommt.“

Der Wechsel zwischen den einzelnen Aktivitätsmustern einschließlich der Entstehung und des Verschwindens von Extremereignissen basiert auf einem grundlegenden Mechanismus, der in ähnlicher Form auch für andere Systeme, wie zum Beispiel bei Erregungsmustern im Herz anwendbar ist. „Diese Allgemeingültigkeit ermöglicht vielfältige Anwendungen dieser Ergebnisse auch in anderen Wissenschaftsgebieten“, unterstreicht Prof. Dr. Ulrike Feudel, Leiterin der Arbeitsgruppe Theoretische Physik/Komplexe Systeme im Institut für Chemie und Biologie des Meeres der Universität Oldenburg.

Die Arbeit entstand im Rahmen eines Projekts, das von der Volkswagen-Stiftung gefördert wird. Die Wissenschaftler untersuchen darin am Beispiel epileptischer Anfälle und schädlicher Algenblüten, durch welche Mechanismen Extremereignisse entstehen.

Publikation: Gerrit Ansmann, Klaus Lehnertz und Ulrike Feudel: Self-induced switchings between multiple space–time patterns on complex networks of excitable units

Kontakt für die Medien:

Prof. Dr. Klaus Lehnertz
Arbeitsgruppe Neurophysik
Klinik für Epileptologie
Universitätsklinikum Bonn
Tel. 0228/28715864
E-Mail: Klaus.Lehnertz@ukb.uni-bonn.de

Prof. Dr. Ulrike Feudel
Arbeitsgruppe Theoretische Physik/Komplexe Systeme
Institut für Chemie und Biologie des Meeres
Universität Oldenburg
Telefon: 0441/7982790
E-Mail: ulrike.feudel@uni-oldenburg.de

Weitere Informationen:

http://arxiv.org/pdf/1602.02177 Publikation online

Johannes Seiler | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

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...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2017

23.02.2017 | Veranstaltungen

Wie werden wir gesund alt? - Alternsforscher tagen auf interdisziplinärem Symposium in Magdeburg

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Heinz Maier-Leibnitz-Preise 2017: DFG und BMBF zeichnen vier Forscherinnen und sechs Forscher aus

23.02.2017 | Förderungen Preise

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor

23.02.2017 | Physik Astronomie