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 Orientierungslauf im Mikrokosmos
24.05.2017 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

nachricht CAST-Projekt setzt Dunkler Materie neue Grenzen
23.05.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

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: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress 2017:„Closed Loop“-Systeme als künstliche Bauchspeicheldrüse ab 2018 Realität

23.05.2017 | Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 2017: Internet of Production für agile Unternehmen

23.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Krebs erregende Substanzen aus Benzinmotoren

24.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wasserqualität von Flüssen: Zusätzliche Reinigungsstufen in Kläranlagen lohnen sich

24.05.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Orientierungslauf im Mikrokosmos

24.05.2017 | Physik Astronomie