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 Spintronik: Forscher zeigen, wie sich nichtmagnetische Materialien magnetisch machen lassen
06.08.2020 | Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

nachricht Erster radioastronomischer Nachweis eines extrasolaren Planetensystems um einen Hauptreihenstern
05.08.2020 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Projektabschluss ScanCut: Filigranere Steckverbinder dank Laserschneiden

Eine entscheidende Ergänzung zum Stanzen von Kontakten erarbeiteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT. Die Aachener haben im Rahmen des EFRE-Forschungsprojekts ScanCut zusammen mit Industriepartnern aus Nordrhein-Westfalen ein hybrides Fertigungsverfahren zum Laserschneiden von dünnwandigen Metallbändern entwickelt, wodurch auch winzige Details von Kontaktteilen umweltfreundlich, hochpräzise und effizient gefertigt werden können.

Sie sind unscheinbar und winzig, trotzdem steht und fällt der Einsatz eines modernen Fahrzeugs mit ihnen: Die Rede ist von mehreren Tausend Steckverbindern im...

Im Focus: ScanCut project completed: laser cutting enables more intricate plug connector designs

Scientists at the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT have come up with a striking new addition to contact stamping technologies in the ERDF research project ScanCut. In collaboration with industry partners from North Rhine-Westphalia, the Aachen-based team of researchers developed a hybrid manufacturing process for the laser cutting of thin-walled metal strips. This new process makes it possible to fabricate even the tiniest details of contact parts in an eco-friendly, high-precision and efficient manner.

Plug connectors are tiny and, at first glance, unremarkable – yet modern vehicles would be unable to function without them. Several thousand plug connectors...

Im Focus: Elektrogesponnene Vliese mit gerichteten Fasern für die Sehnen- und Bänderrekostruktion

Sportunfälle und der demografische Wandel sorgen für eine gesteigerte Nachfrage an neuen Möglichkeiten zur Regeneration von Bändern und Sehnen. Eine Kooperation aus italienischen und deutschen Wissenschaftler*innen forschen gemeinsam an neuen Materialien, um dieser Nachfrage gerecht zu werden.

Dem Team ist es gelungen elektrogesponnene Vliese mit hochgerichteten Fasern zu generieren, die eine geeignete Basis für Ersatzmaterialien für Sehnen und...

Im Focus: New Strategy Against Osteoporosis

An international research team has found a new approach that may be able to reduce bone loss in osteoporosis and maintain bone health.

Osteoporosis is the most common age-related bone disease which affects hundreds of millions of individuals worldwide. It is estimated that one in three women...

Im Focus: Neue Strategie gegen Osteoporose

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen Ansatzpunkt gefunden, über den man möglicherweise den Knochenabbau bei Osteoporose verringern und die Knochengesundheit erhalten kann.

Die Osteoporose ist die häufigste altersbedingte Knochenkrankheit. Weltweit sind hunderte Millionen Menschen davon betroffen. Es wird geschätzt, dass eine von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Innovationstage 2020 – digital

06.08.2020 | Veranstaltungen

Innovationen der Luftfracht: 5. Air Cargo Conference real und digital

04.08.2020 | Veranstaltungen

T-Shirts aus Holz, Möbel aus Popcorn – wie nachwachsende Rohstoffe fossile Ressourcen ersetzen können

30.07.2020 | Veranstaltungen

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

Der Türsteher im Gehirn

06.08.2020 | Biowissenschaften Chemie

Kognitive Energiesysteme: Neues Kompetenzzentrum sucht Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft

06.08.2020 | Energie und Elektrotechnik

Projektabschluss ScanCut: Filigranere Steckverbinder dank Laserschneiden

06.08.2020 | Verfahrenstechnologie

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