Wie Hirnströme entstehen – Forscher interpretieren Signale von Hirnzellen

Was genau verraten Messungen der Gehirnströme? Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der norwegischen University of Life Sciences (UMB) haben ein Modell entwickelt, das Zusammenhänge zwischen der Aktivität der Nervenzellen und messbaren elektrischen Signalen erklärt.

Dadurch lassen sich Messwerte künftig besser auswerten, um detaillierte Diagnosen bei unterschiedlichen Erkrankungen des Gehirns zu stellen und geeignete Behandlungen auszuwählen. Ihre Ergebnisse präsentieren die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Neuron”.

Nervenzellen erzeugen Strom, wenn sie aktiv sind. Das nutzen Forscher und Ärzte seit Anfang des Zwanzigsten Jahrhunderts bei der Elektroenzephalographie (EEG), bei der sie mit Elektroden die elektrischen Signale messen. Inzwischen lassen sich diese Signale auch eindeutig verschiedenen Krankheiten, etwa der Epilepsie, zuordnen. Wie sie aber auf mikroskopischer Ebene im Netzwerk der Gehirnzellen entstehen, war bisher nur wenig bekannt.

„Auf der Grundlage von Verfahren aus den Bereichen Physik, Mathematik und Informatik sowie der Datenverarbeitungsleistung von Supercomputern haben wir nun detaillierte mathematische Modelle entwickelt, mit denen sich der Zusammenhang zwischen der Nervenzellaktivität und dem von einer Elektrode aufgezeichneten elektrischen Signal darstellen lässt“, sagt Prof. Gaute Einevoll vom Department of Mathematical Sciences and Technology (IMT) der UMB. Ein entscheidendes Ergebnis: Die Aktivität der Nervenzellen selbst beeinflusst, wie groß der Bereich im Gehirn ist, den eine Elektrode erfasst.

„Die Reichweite einer Mess-Elektrode ist demnach keine konstante Größe“, sagt Professor Markus Diesmann vom Forschungszentrum Jülich, Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-6). „Arbeiten die Nervenzellen unabhängig voneinander, also jede für sich, ist die Reichweite einer Elektrode gering: Sie empfängt die Signale nur von Nervenzellen in maximal 0,3 Millimetern Entfernung. Arbeiten die Nervenzellen aber gleichzeitig – synchronisiert – empfängt die Elektrode Signale aus einem deutlich größeren Bereich.“ Auch wie viele Nervenzellen untereinander in Kontakt stehen und wie intensiv sie sich austauschen, spielt eine Rolle für die Reichweite der Elektrode.

Das hat Konsequenzen. „Zum einen liefert uns das Ergebnis eine Faustregel für einen Mindestabstand von Mess-Elektroden“, erläutert Diesmann. „Auf der anderen Seite wissen wir nun aber auch, dass bei synchron arbeitenden Zellen das Signal nicht nur den Bereich rund um die Elektrode widerspiegeln muss. Das könnte sich zum Beispiel einmal auf die Diagnose und Therapie von Epilepsie oder auch Parkinson auswirken. In beiden Fällen gehören synchrone Nervenzellverbände zum Krankheitsbild.“

Für ihre Berechnungen hatten die Wissenschaftler ein Kubikmillimeter Hirngewebe aus der Großhirnrinde modelliert. „Das entspricht etwa 100.000 Nervenzellen und damit grob einer Milliarde Synapsen“, sagt Dr. Tom Tetzlaff vom Forschungszentrum Jülich. „Für Elektroden direkt im Gehirn können wir auf dieser Basis eine sinnvolle Aussage treffen. Um unsere Aussagen auf äußerliche Hirnstrommessungen wie etwa das EEG zu übertragen, müssen wir einen deutlich größeren Bereich modellieren. Das ist sehr anspruchsvoll, aber ein Schritt, auf den wir hinarbeiten.“

Das Projekt ist ein Beispiel für die zunehmende Bedeutung des Bereichs Computational Neuroscience in der modernen Hirnforschung.

Originalveröffentlichung:
Modeling the Spatial Reach of the LFP
Henrik Lindén, Tom Tetzlaff, Tobias C. Potjans, Klas H. Pettersen, Sonja Grün, Markus Diesmann, Gaute T. Einevoll
Neuron – 8 December 2011 (Vol. 72, Issue 5, pp. 859-872)
DOI: 10.1016/j.neuron.2011.11.006
http://www.cell.com/neuron/abstract/S0896-6273%2811%2901005-1
Weitere Informationen:
Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-6):
http://www.csn.fz-juelich.de
Computational Neuroscience Group am UMB:
http://compneuro.umb.no/
Organization for Computational Neurosciences:
http://www.cnsorg.org/
International Neuroinformatics Coordinating Facility (INCF):
http://www.incf.org/
Pressemitteilung bei EurekAlert (in englisch):
http://www.eurekalert.org/pub_releases/2011-12/nuol-ttb120811.php
Ansprechpartner:
Prof. Markus Diesmann
Forschungszentrum Jülich, Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Bereich “Computational and Systems Neuroscience (INM-6)
Tel. 02461 61-9301
E-mail: diesmann@fz-juelich.de
Prof. Gaute Einevoll
Norwegian University of Life Sciences
Mobile phone: +47 951 24 536
E-mail: gaute.einevoll@umb.no
Pressekontakt:
Annette Stettien, Tobias Schlösser
Tel.: 02461 61-2388/-4771
E-mail: a.stettien@fz-juelich.de, t.schloesser@fz-juelich.de