Jülicher und Berliner Forscher haben herausgefunden, dass schleifenförmige Nervenzellverbände eine enorme Vielfalt von verschiedenen Mustern – und somit Informationscodes – bilden können. Dabei stützt sich das Wissenschaftlerteam auf mathematische Modelle. Sie könnten helfen, gesunde Aktivitätsmuster im lebenden Gehirn zu erkennen und neue Therapiewege für Parkinson oder Tinnitus zu erschließen, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.
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Oleksandr Popovych vom Institut für Neurowissenschaften und Medizin des Forschungszentrums Jülich hat gemeinsam mit seinem Jülicher Kollegen Professor Peter Tass und Serhiy Yanchuk vom Institut für Mathematik der Humboldt-Universität Berlin ein neues Computermodell entwickelt, das die Signalstärke und die Signalzeit innerhalb von Nervenzell-Schleifen variiert. Sie kamen so zu überraschenden Ergebnissen – beispielsweise, dass eine Erregungswelle trotz zuvor festgelegter Kreisrichtung rückwärts laufen kann.
Schleifen als grundlegende Strukturen im Gehirn
Vereinfacht dargestellt ist eine Schleife aus Nervenzellen den Wissenschaftlern zufolge ein Kreis mit zum Beispiel zehn Teilnehmern. Teilnehmer eins gibt eine Information an Teilnehmer zwei weiter, Nummer zwei an Nummer drei und so weiter. Schließlich wandert die Information von Teilnehmer zehn wieder an Nummer eins. Ob die Information korrekt und schnell herumgereicht wird, hängt von den einzelnen Teilnehmern ab.
Solche Schleifen sind grundlegende Strukturen im Gehirn – beispielsweise im motorischen System, bei dem mehrere Hirnareale in Schleifen eingebettet sind. Wissenschaftler gehen davon aus, dass zum Beispiel die für die Bewegungskoordination notwendigen Informationen in derartigen Schleifen verarbeitet werden.
Kreis bildet Muster
Gleichzeitig kann ein solcher Kreis Muster bilden – ähnlich einer La-Ola-Welle. Fassen sich alle Teilnehmer des Kreises an der Hand und reißen gleichzeitig die Arme in die Höhe, entsteht von außen betrachtet ein anderes Muster, als bei einer Aktion, bei welcher alle Teilnehmer nacheinander die Arme in einer Welle schwingen lassen. Je nach Rhythmus, Takt und Schwinghöhe können so nach Angaben der Forscher ganz unterschiedliche Wellenmuster entstehen.
„Wir haben hierzu explizite mathematische Formeln entwickelt, die erklären, wie die Neuronen ihre Kopplungen, beziehungsweise Zeitverzögerungen verändern müssen, damit ganz konkrete Muster entstehen“, erklärt Tass. Sein Fazit: „Schon ein elementarer und vergleichsweise einfacher Baustein im Nervensystem, nämlich eine gekoppelte und einfach gerichtete Schleife von Nervenzellen, kann eine unglaubliche Vielfalt von stabilen und dynamischen Mustern erzeugen, sie speichern und für Codierungszwecke verwenden.“
Nervenzellen kommunizieren durch Botenstoffe
Nervenzellen kommunizieren untereinander nicht durch direkten Kontakt, sondern durch das Ausschütten von biochemischen Botenstoffen – sogenannten Neurotransmittern. Wird an einer Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen in kurzer Zeit viel Botenstoff ausgeschüttet, reagiert die nachfolgende Zelle mit einem starken elektrischen Impuls, so die Wissenschaftler. Wenig Transmitter mit einer langsamen Übertragungsrate hat ein geringeres elektrisches Signal zur Folge.
In einer Schleife ergibt sich folglich an jeder Verbindungsstelle die Möglichkeit, das Signal zu modulieren. So entsteht ein typisches zeitliches und räumliches Entladungsmuster der Gesamtschleife, also ein Code zum Beispiel für die Ausführung einer konkreten Bewegung.
Neue Therapien für gestörte Kommunikation im Gehirn
„Für uns ist es wichtig, zu verstehen, wie vielfältig Informationsmuster im gesunden Gehirn abgebildet sind, um im Umkehrschluss therapeutische Ansätze für eine gestörte Kommunikation im Gehirn zu finden“, betont Popovych. „Denn die krankhafte Synchronisation von Nervenzellverbänden findet sich beispielsweise bei Parkinson oder Tinnitus.“
Bei diesen beiden Volksleiden soll das neue Modell in Zukunft unter anderem zur Optimierung von therapeutischen Stimulationstechniken wie der „Coordinated Reset Neuromodulation“ eingesetzt werden. Diese Technik stört gezielt den ungewollten Gleichtakt der Nervenzellen, beispielsweise durch akustische oder elektrische Therapiesignale. So verlernt das Gehirn die krankhaften Synchronisationsvorgänge und wird in ein „gesundes Chaos“ zurückgeführt.
Gesunde Muster von Hirnaktivitäten wiederherstellen
„Wir möchten mit dieser Therapie die gesunden Muster von Hirnaktivitäten und synaptischen Vernetzungen wiederherstellen und die physiologischen Vorgänge im Verlauf der Behandlung möglichst wenig stören“, sagt Tass. „Hierfür sollten wir wissen, welche Palette an gesunden Mustern wir zu berücksichtigen haben“, betont er.
„Das neue mathematische Modell ist deshalb auch für unsere klinische Forschung ein wichtiger Meilenstein. Es kann uns helfen, therapeutische Ansätze wirksam und schonender für die Patienten zu gestalten“, meint Popovych. (Physical Review Letters, 2011; DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.228102)
(Forschungszentrum Jülich, 24.11.2011 – DLO)
