Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Blick auf den Schaltplan des Gehirns

08.10.2012
Mit einem neuen Verfahren lassen sich Verbindungen zwischen Nervenzellen kartografieren.
Unser Gehirn vollbringt seine bemerkenswerten Leistungen durch das Zusammenspiel
einer unvorstellbaren Vielzahl von Nervenzellen, die in komplexen Netzwerken miteinander verschaltet sind. Ein Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS), der Universität Göttingen und des Bernstein Center for Computational Neuroscience Göttingen hat nun eine Methode entwickelt, mit der sich neuronale Schaltpläne entschlüsseln lassen.
Aus Messungen der gesamten neuronalen Aktivität können sie bestimmen, mit welcher Wahrscheinlichkeit jeweils zwei Nervenzellen miteinander verbunden sind. Die Studie, die helfen soll, die Funktionsweise des Gehirns besser zu verstehen, ist in der Fachzeitschrift PLoS Computational Biology erschienen.

Aus rund 80 Milliarden Nervenzellen besteht das menschliche Gehirn und keine von ihnen lebt für sich allein. Die Nervenzellen (auch Neuronen genannt) bilden ein eng verknüpftes Netzwerk, durch welches sie untereinander Signale austauschen. Die Verbindungen sind dabei alles andere als zufällig arrangiert und ein Verständnis davon, welche Neuronen miteinander Verbindungen eingehen und welche nicht, verspricht wertvolle Informationen über die Funktionsweise des Hirns. Das Verbindungsnetzwerk direkt aus der Gewebestruktur zu ermitteln, ist eine bis auf weiteres praktisch unmögliche Aufgabe - selbst in Zellkulturen mit nur einigen tausend Neuronen. Hingegen gibt es heutzutage weit entwickelte Methoden, um dynamische Aktivitätsmuster von Neuronen aufzuzeichnen.
Ein solches Muster gibt an, welches Neuron zu welchem Zeitpunkt ein Signal weitergeleitet hat. Es ist somit eine Art neuronales Gesprächsprotokoll. Das Göttinger Team rund um Theo Geisel, Direktor am MPIDS, hat sich nun eines dieser Aktivitätsmuster zunutze gemacht.

Die Wissenschaftler verwenden Daten aus sogenannten Kalzium-Fluoreszenz-Messungen, die in Zusammenarbeit mit der Universität Barcelona aufgenommen wurden. Diese Bildgebungsmethode erlaubt es, die Aktivität von Tausenden von Neuronen in einer Zellkultur (oder im lebenden Hirn) gleichzeitig aufzuzeichnen. Denn für das Weiterleiten eines elektrischen Signals sind am Neuron Ionen wie etwa Kalzium-Ionen verantwortlich. Mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt, beginnen diese zu leuchten und verraten so, welche Neuronen gerade aktiv sind. Jedoch sind die zeitlichen Abläufe in Neuronen zu schnell, um direkt mitverfolgen zu können, wie ein Impuls „abgefeuert“ wird. Es lässt sich also nicht unmittelbar nachzuvollziehen, wie eine einzelne Zelle eine andere beeinflusst oder ob eine Verbindung direkt ist oder über mehrere Stationen verläuft. Mit dem im Team von Theo Geisel nun entwickelten Algorithmus lassen sich aber aus den gemessenen Daten dennoch bemerkenswert genaue Informationen über die Linienführung im Verbund der Nervenzellen gewinnen.

„Unsere Methode basiert auf der so genannten Transferentropie“, erklärt Olav Stetter vom MPIDS, Erstautor der nun erschienenen Publikation. Die Transferentropie ist eine Größe aus der Informationstheorie, mit der gerichtete Informationsflüsse quantitativ bestimmt werden können. Mit anderen Worten: Es kann berechnet werden, wie wahrscheinlich es ist, dass das Signal von einem bestimmten Neuron eine Aktivität in einem anderen zur Folge hatte. „Wir haben mithilfe der Transferentropie ein robustes Verfahren entwickelt, das zuverlässig zwischen wahren kausalen Zusammenhängen unterscheiden kann und solchen, die nur scheinbar bestehen und durch indirekte Verbindungen oder durch Messfehler entstanden sind“, sagt Stetter.

Aus der Aktivität der Neuronen, die sich in Fluoreszenz-Messungen zeigt (im Bild links), können die Wissenschaftler darauf schließen, wie die Nervenzellen miteinander verschaltet sind (im Bild rechts angedeutet).

Grafik: MPIDS

Die Wissenschaftler haben ihre neue Methode zunächst auf künstliche Daten angewandt. Sie sind dabei von einem gegebenen Netzwerk ausgegangen und haben die Signale, welche in einem Kalzium-Fluoreszenz-Experiment zu erwarten wären, in realistischer Qualität berechnet. Wie die Wissenschaftler zeigen, sind die kausalen Zusammenhänge im Netzwerk zeitlich variabel und abhängig vom Zustand der Aktivität des Netzwerkes. Nur in ruhigeren Phasen mit relativ geringer Aktivität stimmten die kausalen Zusammenhänge mit dem tatsächlichen Aufbau des Netzwerks überein. Diese Tatsache konnten sich die Göttinger Forscher für ihre Vorhersagen nutzbar machen. In Phasen hoher Aktivität hingegen sind so viele Nervenzellen gleichzeitig am neuronalen Gesprächsfluss beteiligt, dass sich der Weg einer Information nicht mehr gut nachvollziehen lässt.

In der nun publizierten Arbeit wurden auch echte Neuronen untersucht. Die Analyse mit der neuen Methode lieferte somit bereits konkrete Resultate und deckte eine ungewöhnliche Konzentration von Verbindungen rund um einzelne Zellen auf.

Die Forscher sind zuversichtlich, dass sich ihr Verfahren auf eine breite Klasse von Systemen anwenden lässt: „Unsere Methode ermöglicht eine Rekonstruktion von neuronalen Netzwerken ohne spezifische Annahmen über deren Beschaffenheit. Vielmehr lassen wir uns von den Daten leiten“, erklärt MPIDS-Mitarbeiter Demian Battaglia. Dies lässt hoffen, dass der Algorithmus der Göttinger Wissenschaftler es erlaubt, in breitem Umfang neuronale Schaltpläne zu berechnen, in gezüchteten Netzwerken ebenso wie in natürlichen. Die gesammelten Informationen aus einer Vielzahl von verschiedenen neuronalen Netzwerken können dann helfen zu verstehen, wann und wo die Neuronen Verbindungen eingehen und nach welchen Kriterien sie ihre Partner auswählen.

Dr. Birgit Krummheuer | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.ds.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht HZDR-Forscher entwickeln Tarnkappen-Technologie für leuchtende Nanopartikel
13.11.2018 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

nachricht Ein Chip mit echten Blutgefäßen
13.11.2018 | Technische Universität Wien

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: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Im Focus: A Chip with Blood Vessels

Biochips have been developed at TU Wien (Vienna), on which tissue can be produced and examined. This allows supplying the tissue with different substances in a very controlled way.

Cultivating human cells in the Petri dish is not a big challenge today. Producing artificial tissue, however, permeated by fine blood vessels, is a much more...

Im Focus: Optimierung von Legierungswerkstoffen: Diffusionsvorgänge in Nanoteilchen entschlüsselt

Ein Forschungsteam der TU Graz entdeckt atomar ablaufende Prozesse, die neue Ansätze zur Verbesserung von Materialeigenschaften liefern.

Aluminiumlegierungen verfügen über einzigartige Materialeigenschaften und sind unverzichtbare Werkstoffe im Flugzeugbau sowie in der Weltraumtechnik.

Im Focus: Graphen auf dem Weg zur Supraleitung

Doppelschichten aus Graphen haben eine Eigenschaft, die ihnen erlauben könnte, Strom völlig widerstandslos zu leiten. Dies zeigt nun eine Arbeit an BESSY II. Ein Team hat dafür die Bandstruktur dieser Proben mit extrem hoher Präzision ausgemessen und an einer überraschenden Stelle einen flachen Bereich entdeckt. Möglich wurde dies durch die extrem hohe Auflösung des ARPES-Instruments an BESSY II.

Aus reinem Kohlenstoff bestehen so unterschiedliche Materialien wie Diamant, Graphit oder Graphen. In Graphen bilden die Kohlenstoffatome ein zweidimensionales...

Im Focus: Datensicherheit: Aufbruch in die Quantentechnologie

Den Datenverkehr noch schneller und abhörsicher machen: Darauf zielt ein neues Verbundprojekt ab, an dem Physiker der Uni Würzburg beteiligt sind. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt mit 14,8 Millionen Euro.

Je stärker die Digitalisierung voranschreitet, umso mehr gewinnen Datensicherheit und sichere Kommunikation an Bedeutung. Für diese Ziele ist die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

Wer rechnet schneller? Algorithmen und ihre gesellschaftliche Überwachung

12.11.2018 | Veranstaltungen

Profilierte Ausblicke auf die Mobilität von morgen

12.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

MagicMoney: Offline bezahlen – mit deinem Smartphone

13.11.2018 | Wirtschaft Finanzen

5G sichert Zukunft von Industrie 4.0 – DFKI mit der SmartFactoryKL auf der SPS IPC Drives

13.11.2018 | Messenachrichten

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics