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Facebook im Gehirn: Nervenzellen kommunizieren wie Freunde bei Facebook


Ein neuronales Netzwerk funktioniert wie ein soziales Netzwerk: Die stärksten Bindungen sind zwischen gleichgesinnten Partnern.© Uni Basel

Neurone im Gehirn sind wie ein soziales Netzwerk miteinander verbunden. Das berichten Forschende vom Biozentrum der Universität Basel. Jede Nervenzelle sei mit einer Vielzahl anderer Nervenzellen verbunden, doch die stärksten Bindungen bestünden zwischen den wenigen Zellen, die sich besonders ähneln. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift «Nature» veröffentlicht.

Nervenzellen bilden ein komplexes Geflecht aus Verbindungen, den Synapsen, von denen es bis zu mehrere tausend pro Zelle gibt. Doch nicht alle dieser synaptischen Verbindungen sind gleich: Die grosse Mehrheit ist schwach, nur sehr wenige sind stark. «Wir wollten herausfinden, ob es Regeln dafür gibt, wie sich Nervenzellen zu komplexen Netzwerken mit Millionen anderer Nervenzellen verbinden», so Professor Thomas Mrsic-Flogel, Leiter des Forschungsteams am Biozentrum, Universität Basel und dem University College London (UCL). «Es hat sich herausgestellt, dass eine dieser Regeln sehr einfach ist: Gleichgesinnte Neuronen sind stark miteinander gekoppelt, während Neuronen, die sich unterschiedlich verhalten, nur schwache oder gar keine Verbindungen haben.»

Starke Verbindungen zwischen engen Freunden

Die Forscher konzentrierten sich bei ihrer Studie auf ein bestimmtes Gebiet der Hirnrinde, das Informationen aus dem Auge empfängt und zur visuellen Wahrnehmung führt. Neuronen in diesem Teil des Gehirns reagieren auf spezielle visuelle Muster, jedoch ist es schwierig zu entschlüsseln, welche Zellen miteinander verbunden sind, da sie zu vielen Tausenden dicht beieinander liegen (knapp 100'000 pro Kubikmillimeter).

Mit einer Kombination aus hochauflösenden Bildgebungsverfahren und empfindlichen elektrischen Messungen fanden die Forscher heraus, dass die Verbindungen zwischen benachbarten Neuronen wie ein soziales Netzwerk organisiert sind. In sozialen Netzwerken wie Facebook stehen wir mit einer großen Anzahl von Bekannten in Kontakt. Der Kreis enger Freunde jedoch ist um ein Vielfaches kleiner. Dies sind in der Regel gerade die Freunde, mit denen wir die meisten Gemeinsamkeiten haben und deren Meinung uns wichtiger ist als die aller anderen. «Die schwachen Kontakte im Gehirn haben kaum Bedeutung, obwohl sie in der Mehrheit sind», erklärt Mrsic-Flogel. «Die wenigen starken Verbindungen zwischen Neuronen mit ähnlicher Funktion hingegen haben den stärksten Einfluss auf die Aktivität ihrer Partner. Dieses Zusammenspiel könnte ihnen helfen, bestimmte Informationen der Aussenwelt zu verstärken.»

Schwache Verbindungen könnten für Lernprozesse wichtig sein

Aber warum existieren so viele dieser schwachen Verbindungen zwischen Nervenzellen? «Wir nehmen an, dass dies mit Lernprozessen zu tun haben könnte», sagt Dr. Lee Cossell, einer der Erstautoren der Studie. «Wenn Neuronen ihr Verhalten ändern müssen, stehen schwache Verbindungen bereits zur Verfügung, um zu starken Verbindungen ausgebaut werden zu können. Möglicherweise wird so schnelle Plastizität im Gehirns gewährleistet.» Folglich kann sich das Gehirn schneller an Veränderungen in der Umwelt anpassen.

Die Studie reiht sich in das weltweite Bemühen vieler Wissenschaftler ein, durch das Kartieren des neuronalen Schaltplans besser zu verstehen, wie das Gehirn Wahrnehmungen, Gedanken und Handlungen hervorbringt. «Die Ergebnisse zeigen, wie Neuronen im Netzwerk miteinander interagieren, um Informationen zu verarbeiten. Dieses Wissen ebnet den Weg, um genaue Computersimulationen des Gehirns zu erstellen», sagt Mrsic-Flogel. Darüber hinaus ist die Erforschung der Verschaltungen von Nervenzellen auch für das Verständnis neurologischer Krankheiten bedeutend. «Wenn wir wissen, wie das Muster der Verbindungen im gesunden Gehirn aussehen sollte, dann können wir auch anfangen herauszufinden, was beispielsweise bei Schizophrenie oder Autismus falsch läuft», so Mrsic-Flogel.

Originalartikel
Lee Cossell, Maria Florencia Iacaruso, Dylan R. Muir, Rachael Houlton, Elie N. Sader, Ho Ko, Sonja B. Hofer, Thomas D. Mrsic-Flogel
Functional organization of excitatory synaptic strength in primary visual cortex
Nature, published online 4 February 2015, doi: 10.1038/nature14182

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