Wissenschaftler lüften Geheimnisse der Organisation des Gehirns
Forscher aus Großbritannien und Deutschland haben neue Erkenntnisse zu den Faktoren gewonnen, die Organisation und Aufteilung unseres Gehirns steuern. Bisher wurde angenommen, dass ein Nervensystem hauptsächlich sehr kurze Nervenfaserverbindungen zwischen den Nervenzellen haben sollte, um möglichst effektiv zu funktionieren. Diese Theorie basierte auf der Idee, dass für die Entstehung und den Erhalt von Nervenverbindungen ein hoher metabolischer Aufwand erforderlich sei, der möglichst reduziert werden sollte. Die Forscher führten anspruchsvolle Computeranalysen anatomischer Untersuchungen zu den Gehirnen des Fadenwurms Caenorhabditis elegans und des Makaken durch. Ihre Erkenntnisse sind in der PLoS Computational Biology veröffentlicht. Zu ihrer Überraschung fanden sie heraus, dass beide Arten eine erstaunlich große Anzahl an langen Verbindungen hatten, wobei bei einer optimalen Vernetzung die gesamte Vernetzungslänge sogar um bis zu 50 Prozent reduziert werden konnte. Daraufhin stellte sich die Frage, warum die Nervensysteme dieser beiden sehr unterschiedlichen Arten offensichtlich so ineffizient vernetzt sind. Sie fanden heraus, dass eine minimale Vernetzung die durchschnittliche Pfadlänge (in Bezug auf die Anzahl der Verbindungsschritte) zwischen entfernten Punkten in den Netzwerken erheblich zunehmen ließ. Laut dem Papier bietet der Erhalt einer Anzahl langer Fasern den Netzwerken Vorteile, die den Aufwand für diesen Erhalt wieder wettmachen. Erstens muss ein Signal nicht so viele Schritte durchlaufen wie bei kurzen Fasern, wo die dazwischen liegenden Knoten Störsignale ausgeben können. Zweitens werden die Geschwindigkeit der Signalverarbeitung und letztendlich der Verhaltensentscheidungen, die durch das Signal verursacht werden, erhöht, wenn Übertragungsverzögerungen reduziert werden. Drittens ermöglichen lange Verbindungen es, dass die Signale bei benachbarten und auch entfernten Regionen gleichzeitig ankommen und ermöglichen dadurch eine synchrone Informationsverarbeitung. Und schließlich erhöhen lange Fasern die Zuverlässigkeit des Systems, da mit jedem Knoten auf dem Pfad das Risiko besteht, dass die Information in dem Signal ganz oder teilweise verloren geht. Der führende Forscher Dr. Marcus Kaiser der Universität Newcastle vergleicht das System mit einer Zugfahrt zwischen Newcastle (ganz im Norden von England) und London. "Sie würden viel schneller und einfacher nach London kommen, wenn Sie eine Direktverbindung nehmen würden", führte er aus. "Wenn Sie jedoch über Durham, Leeds und Stevenage reisen und jedes Mal umsteigen müssten, würde es länger dauern und zudem könnte es sein, dass Sie einen Zug verpassen. Das Gleiche geschieht im menschlichen Gehirn." "Es wird häufig gesagt, dass das Gehirn wie ein Computer sei und dass es für eine optimale Effektivität hauptsächlich kurze Verbindungen zwischen den Nervenzellen haben solle", fügte Dr. Claus Hilgetag von der International University Bremen hinzu. "Unsere Untersuchungen lassen darauf schließen, dass eine Kombination aus unterschiedlichen Längen neuraler Projektionen wichtig ist." Obwohl die Untersuchung wahrscheinlich nicht zu unmittelbaren klinischen Behandlungen führen wird, glauben die Wissenschaftler, dass sie zu unserem Verständnis über Krankheiten wie Alzheimer und Autismus beitragen könnte. Ultraschalluntersuchungen am Gehirn von Patienten mit diesen Krankheiten haben ergeben, dass bei ihnen bestimmte lange Nervenverbindungen nicht vorhanden sind.
Länder
Deutschland, Vereinigtes Königreich