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Wissenschaftler decken auf: Neuronen kommunizieren über elektrische Felder

Bisher glaubten die Forscher, Neuronen im Gehirn würden über physikalische Verbindungen namens Synapsen miteinander kommunizieren. EU-finanzierte Neurologen jedoch haben nun überzeugende Beweise geliefert, dass Neuronen miteinander auch über schwache elektrische Felder kommuni...
Wissenschaftler decken auf: Neuronen kommunizieren über elektrische Felder
Bisher glaubten die Forscher, Neuronen im Gehirn würden über physikalische Verbindungen namens Synapsen miteinander kommunizieren. EU-finanzierte Neurologen jedoch haben nun überzeugende Beweise geliefert, dass Neuronen miteinander auch über schwache elektrische Felder kommunizieren, eine Entdeckung, die uns dabei helfen könnte zu verstehen, wie Biophysik zu Kognition führt.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience veröffentlicht und teilweise über das EUSYNAPSE-Projekt ("From molecules to networks: understanding snaptic physiology and pathology in the brain through mouse models") finanziert, das 8 Mio. EUR unter dem Themenbereich "Lebenswissenschaften, Genomik und Biotechnologie für die Gesundheit" des sechsten Rahmenprogramms (RP6) der EU erhielt.

Leitender Autor Dr. Costas Anastassiou, Habilitationsgelehrter am Kalifornischen Institut für Technologie (Caltech) in den Vereinigten Staaten und seine Kollegen erklären das Gehirn als kompliziertes Netzwerk einzelner Nervenzellen oder Neuronen, die elektrische und chemische Signale zur Kommunikation miteinander verwenden.

Jedes Mal wenn ein elektrischer Impuls durch einen Neuronenzweig schießt, entsteht ein winziges elektrisches Feld um diese Zelle. Ein paar Neuronen reden wie Menschen miteinander und führen kleinere Unterhaltungen. Wenn jedoch alle gleichzeitig feuern, ist dies mit dem Grölen der Menge bei einer Sportveranstaltung vergleichbar.

Dieses "Grölen" ist die Summierung all der kleinen elektrischen Felder, die durch die neurale Aktivität im Gehirn entstehen. Obgleich schon seit Längerem bekannt ist, dass das Gehirn zusätzlich zu der elektrischen Aktivität der feuernden Nervenzellen schwache elektrische Felder erzeugt, wurden diese Felder bisher für Epiphänomene gehalten - überflüssige Nebenwirkungen.

Über diese schwachen Felder war nichts bekannt, da diese in der Regel zu schwach sind, um auf der Ebene eines einzelnen Neurons gemessen werden zu können; sie bewegen sich in der Größenordnung von einem Millionstel Meter (Mikrometer). Deshalb haben die Forscher beschlossen zu untersuchen, ob diese schwachen Felder Auswirkungen auf die Neuronen haben.

Aus experimenteller Sicht war das Messen dieser schwachen Felder, die von einer kleinen Menge Gehirnzellen ausgesendet wurden bzw. diese beeinflusste, keine leichte Aufgabe. Extrem kleine Elektroden wurden in unmittelbarer Nähe zu einer Ansammlung von Rattenneuronen eingesetzt, um nach "lokalen Feldpotentialen" zu suchen, die durch die Neuronenaktivität verursachten elektrischen Felder. Das Ergebnis? Den Forschern gelang es, Felder zu messen, die bis zu einem Millivolt schwach waren (einem tausendstel Volt).

Dr. Anastassiou sagt über diese Ergebnisse: "In Anbetracht der Tatsache, dass es äußerst schwierig war, so viele Elektroden in eine so geringe Menge Gehirngewebe zu positionieren, sind die Ergebnisse unserer Forschung wahrhaft neuartig. Niemandem zuvor ist es jemals gelungen, diese Ebene der räumlichen und zeitlichen Auflösung zu erreichen."

Was die Forscher herausfanden, war überraschend. "Wir beobachteten, dass Felder mit einer Stärke von gerade einmal einem Millivolt pro Millimeter das Feuern einzelner Neuronen signifikant verändern konnten, und so die sogenannte "Spike-Feld-Kohärenz" schufen - die Synchronität, in der Neuronen in Verbindung mit dem Feld feuern ", erklärt er.

Während eines epileptischen Anfalls beispielsweise generieren Teile des Gehirns sehr starke elektrische Felder in der Größenordnung von 100 Millivolt pro Millimeter. Diese Studie jedoch belegt, dass sogar noch schwächere Feldenergie, wenn sie auf einen empfänglichen Neuronenbereich gelenkt wird, das verursacht, was Forscher ephatische Übertragung nennen.

Diese Energiefeldverbindung könnte eine weitere Art der Koordination innerhalb des Gehirns darstellen - eine, die sich von den üblichen Neuron-Synapsen-Kanälen unterscheidet. Dr. Anastassiou ist der Ansicht, dass "eine erhöhte Spike-Feld-Kohärenz die zwischen den Neuronen übertragene Informationsmenge sowie die Zuverlässigkeit erheblich vergrößern kann."

Diese Studie vereint die Forschungen darüber, inwieweit "Denken" von der koordinierten Aktivität in den verschiedenen Gehirnregionen abhängt. Viele Neurowissenschaftler sind der Ansicht, dass die relativ langsame und fast unendlich ineinander verflochtene Aktivität von Neuronen und Synapsen nicht zur Geschwindigkeit und zur Effizienz des Denkens beiträgt.

"Ich glaube, dass das Verstehen von Ursprung und Funktionalität der endogenen Gehirnfelder zu unterschiedlichen Enthüllungen hinsichtlich der Verarbeitung von Informationen auf Niveau der Schaltkreise führen wird, welches, meiner Meinung nach, die Ebene ist, auf der Wahrnehmung und Gedanken entstehen", so Dr. Anastassiou.

"Dies wiederum führt zu der Frage, wie Biophysik auf mechanistische Art zu Kognition wird - und das, so denke ich, ist der Heilige Gral der Neurowissenschaft."

Quelle: California Institute of Technology (Caltech); Nature Neuroscience

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Datensatznummer: 33041 / Zuletzt geändert am: 2011-02-07
Kategorie: Andere
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