Kein Neuron gleicht dem anderen

Erschienen auf science.ORF.at

So wie Schneeflocken gleicht Forschern zufolge keine Nervenzelle einer anderen. Neuronen unterscheiden sich allerdings nicht in Größe und Form, sondern in der Art, wie sie auf Stimulation reagieren. Diese Erkenntnis sei wichtig, um zu verstehen, wie Nervenzellen komplexe Reize verarbeiten und Information kodieren.

Heterogene Hardware

Schätzungen zufolge befinden sich im menschlichen Hirn etwa 100 Milliarden Neuronen. Diese können in ein paar verschiedene Typen unterteilt werden. Nervenzellen des gleichen Typus schauen prinzipiell gleich aus und nehmen als Gruppe auch die gleichen Aufgaben wahr. Trotzdem reagiert jede Zelle etwas anders auf einkommende Stimuli. Neurologen beschrieben diese Eigenschaft bis jetzt als Laune der Natur.

„Bei Computerchips können sich feine Unterschiede bereits sehr destruktiv auswirken. Techniker brauchen lang, bis jeder Prozessor genau wie der andere aussieht und funktioniert“, sagt Nathan Urban, Professor an der Carnegie Mellon University. „Das Gehirn ist quasi einer der kompliziertesten Computer überhaupt. Wir sind fasziniert von der Tatsache, dass das Hirn Nutzen aus der Heterogenität seiner Hardware zieht.“

Unterschiedliche Reaktionen

Die Forscher untersuchten die Reaktion von Neuronen auf verschiedene Stimuli. Von den vielen getesteten Zellen reagierten tatsächlich keine zwei auf die gleiche Weise. Die Wissenschaftler verwendeten eine Methode, die „Spike-triggered Average“ genannt wird. Damit konnte herausgefunden werden, welche Art der Stimulation die Neuronen reagieren ließ.

Sie entdeckten, dass manche Neuronen auf schnelle, andere auf langsame Stimulation reagierten. Wieder andere Neuronen reagierten auf rhythmische Reize. Nachdem die Wissenschaftler die Ergebnisse verglichen hatten, bemerkten sie, dass Gruppen mit eher unterschiedlichen Neuronen zweimal mehr Information weitergeleitet hatten als eher homogene Gruppen.

Effizientes Team

Diversität sei ein intrinsisches Gut, sagt Urban. Eine Population, in der jeder auf etwas anderes spezialisiert ist, sei effizienter und effektiver. Fast wie eine Fußballmannschaft: Wenn man gewinnen will, kann man nicht mit elf Stürmern spielen.

Die neuronale Diversität könnte auch eine Rolle bei Nervenerkrankungen wie Parkinson, Schizophrenie und Epilepsie spielen. Bei diesen Krankheiten hat man Störungen im Rhythmus und der Synchronisation der Stimulanzübertragung festgestellt.

Die Studie

Intrinsic biophysical diversity decorrelates neuronal firing while increasing information content von Krishnan Padmanabhan & Nathaniel N. Urban aus „Nature Neuroscience“.

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