Neue Theorie der Synapsenbildung im Gehirn
Reorganisation im visuellen Kortex: vor (links) und unmittelbar nach Schädigung der Netzhaut (Mitte) und in einer späteren Phase (rechts). Die meisten Neuronen in der Zone, in der Bilder von der beschädigten Netzhaut projiziert werden, können ihre ursprünglichen Werte erreichen.mehr
Das menschliche Gehirn verändert sich im Laufe des Lebens eines Menschen ständig. Es werden ständig neue Verbindungen hergestellt, während nicht mehr verwendete Synapsen degenerieren. Über die Mechanismen hinter diesen Prozessen ist bisher wenig bekannt. Der Jülicher Neuroinformatiker Dr. Markus Butz konnte nun die Bildung neuer neuronaler Netze im visuellen Kortex einer einfachen homöostatischen Regel zuschreiben, die auch die Grundlage vieler anderer selbstregulierender Prozesse in der Natur ist. Mit dieser Erklärung liefern er und sein Kollege Dr. Arjen van Ooyen aus Amsterdam auch eine neue Theorie zur Plastizität des Gehirns - und einen neuartigen Ansatz zum Verständnis von Lernprozessen und zur Behandlung von Hirnverletzungen und -krankheiten.
Die Gehirne erwachsener Menschen sind keineswegs fest verdrahtet. Wissenschaftler haben diese Tatsache in den letzten Jahren mit verschiedenen Bildgebungstechniken wiederholt nachgewiesen. Diese sogenannte Neuroplastizität spielt nicht nur eine Schlüsselrolle bei Lernprozessen, sie ermöglicht es dem Gehirn auch, sich von Verletzungen zu erholen und den Funktionsverlust auszugleichen. Erst kürzlich haben Forscher herausgefunden, dass sich bestehende Synapsen auch im Gehirn von Erwachsenen nicht nur an neue Gegebenheiten anpassen, sondern dass immer wieder neue Verbindungen gebildet und neu organisiert werden. Wie diese natürlichen Umlagerungsprozesse im Gehirn gesteuert werden, war jedoch noch nicht bekannt. In der Open-Access-Zeitschrift PLoS Computational BiologyButz und van Ooyen präsentieren nun eine einfache Regel, die erklärt, wie diese neuen Netzwerke von Neuronen gebildet werden.
„Es ist sehr wahrscheinlich, dass die strukturelle Plastizität des Gehirns die Grundlage für die Bildung des Langzeitgedächtnisses ist“, sagt Markus Butz, der seit einigen Monaten im kürzlich eingerichteten Simulationslabor für Neurowissenschaften am Jülich Supercomputing Center arbeitet. „Und es geht nicht nur ums Lernen. Nach der Amputation der Extremitäten, Hirnverletzungen, dem Auftreten neurodegenerativer Erkrankungen und Schlaganfällen werden zahlreiche neue Synapsen gebildet, um das Gehirn an die dauerhaften Veränderungen der Muster eingehender Reize anzupassen. “
Aktivität reguliert die Synapsenbildung
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Bildung neuer Synapsen von der Tendenz der Neuronen getrieben wird, ein voreingestelltes elektrisches Aktivitätsniveau aufrechtzuerhalten. Wenn die durchschnittliche elektrische Aktivität unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, beginnen die Neuronen aktiv, neue Kontaktpunkte aufzubauen. Dies ist die Basis für neue Synapsen, die zusätzlichen Input liefern - die Neuronenfeuerungsrate steigt. Dies funktioniert auch umgekehrt: Sobald das Aktivitätsniveau eine Obergrenze überschreitet, wird die Anzahl der synaptischen Verbindungen reduziert, um eine Übererregung zu verhindern - die Neuronenfeuerungsrate sinkt. Ähnliche Formen der Homöostase treten in der Natur häufig auf, beispielsweise bei der Regulierung der Körpertemperatur und des Blutzuckerspiegels.
Markus Butz betont jedoch, dass dies ohne eine gewisse minimale Erregung der Neuronen nicht funktioniert: „Ein Neuron, das keine Reize mehr empfängt, verliert noch mehr Synapsen und stirbt nach einiger Zeit ab. Wir müssen diese Einschränkung berücksichtigen, wenn die Ergebnisse unserer Simulationen mit den Beobachtungen übereinstimmen sollen. “ Verwendung der visueller Kortex Zum Beispiel haben die Neurowissenschaftler die Prinzipien untersucht, nach denen Neuronen neue Verbindungen bilden und vorhandene Synapsen aufgeben. In dieser Region des Gehirns etwa 10% der Synapsen werden kontinuierlich regeneriert. Wenn die Netzhaut beschädigt ist, steigt dieser Prozentsatz noch weiter an. Mithilfe von Computersimulationen gelang es den Autoren, die Reorganisation der Neuronen so zu rekonstruieren, dass sie den experimentellen Ergebnissen des visuellen Kortex von Mäusen und Affen mit geschädigter Netzhaut entspricht.
Der visuelle Kortex eignet sich besonders zur Demonstration der neuen Wachstumsregel, da er eine Eigenschaft hat, die als Retinotopie bezeichnet wird: Dies bedeutet, dass Punkte, die nebeneinander auf die Netzhaut projiziert werden, auch nebeneinander angeordnet sind, wenn sie auf den visuellen Kortex projiziert werden wie auf einer Karte. Wenn Bereiche der Netzhaut beschädigt sind, erhalten die Zellen, auf die die zugehörigen Bilder projiziert werden, unterschiedliche Eingaben. „In unseren Simulationen können Sie sehen, dass Bereiche, die keine Eingaben mehr von der Netzhaut erhalten, Vernetzungen bilden, die es ihnen ermöglichen, mehr Signale von ihren Nachbarzellen zu empfangen“, sagt Markus Butz. Diese Vernetzungen werden langsam vom Rand des beschädigten Bereichs zum Zentrum hin in einem Prozess gebildet, der der Heilung einer Wunde ähnelt, bis das ursprüngliche Aktivitätsniveau mehr oder weniger wiederhergestellt ist.
Synaptische und strukturelle Plastizität
„Die neue Wachstumsregel bietet struktureller Plastizität ein Prinzip, das fast so einfach ist wie das der synaptischen Plastizität“, sagt Co-Autor Arjen van Ooyen, der seit Jahrzehnten an Modellen für die Entwicklung neuronaler Netze arbeitet. Bereits 1949 entdeckte der Psychologieprofessor Donald Olding Hebb diese Zusammenhänge zwischen Neuronen die häufig aktiviert werden, werden stärker. Diejenigen, die wenig Informationen austauschen, werden schwächer. Viele Wissenschaftler glauben heute, dass dieses Hebbianische Prinzip eine zentrale Rolle in Lern- und Gedächtnisprozessen spielt. Während synaptische Plastizität Bei primär kurzfristigen Prozessen, die von wenigen Millisekunden bis zu mehreren Stunden dauern, erstreckt sich die strukturelle Plastizität über längere Zeiträume von mehreren Tagen bis Monaten.
Strukturplastizität spielt daher eine besonders wichtige Rolle in der (frühen) Rehabilitationsphase von Patienten, die von neurologischen Erkrankungen betroffen sind und auch Wochen und Monate anhalten. Die Vision, die das Projekt antreibt, besteht darin, dass wertvolle Ideen für die Behandlung von Schlaganfallpatienten aus genauen Vorhersagen der Synapsenbildung resultieren können. Wenn die Ärzte wussten, wie sich die Gehirnstruktur eines Patienten während der Behandlung verändert und neu organisiert, könnten sie die idealen Zeiten für Stimulations- und Ruhephasen bestimmen und so die Effizienz der Behandlung verbessern.
Neuer Ansatz für zahlreiche Anwendungen
„Bisher wurde angenommen, dass die strukturelle Plastizität auch dem Prinzip der hebräischen Plastizität folgt. Die Ergebnisse legen nahe, dass die strukturelle Plastizität stattdessen vom homöostatischen Prinzip bestimmt wird, das zuvor nicht berücksichtigt wurde “, sagt Prof. Abigail Morrison, Leiterin des Simulationslabors Neuroscience in Jülich. Ihr Team integriert die neue Regel bereits in die frei zugängliche Simulationssoftware NEST, die von zahlreichen Wissenschaftlern weltweit verwendet wird.
Diese Ergebnisse sind auch für das Human Brain Project von Bedeutung. Neurowissenschaftler, Mediziner, Informatiker, Physiker und Mathematiker in Europa arbeiten Hand in Hand daran, das gesamte menschliche Gehirn auf Hochleistungscomputern der nächsten Generation zu simulieren, um deren Funktionsweise besser zu verstehen. „Aufgrund der komplexen synaptischen Schaltkreise beim Menschen Einnahme von MedikamentenEs ist nicht plausibel, dass die Fehlertoleranz und Flexibilität auf der Grundlage statischer Verbindungsregeln erreicht werden. Modelle sind daher für einen Selbstorganisationsprozess erforderlich “, sagt Prof. Markus Diesmann vom Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin, der an dem Projekt beteiligt ist. Er leitet Computational and Systems Neuroscience (INM-6), ein Subinstitut, das an der Schnittstelle zwischen neurowissenschaftlicher Forschung und Simulationstechnologie arbeitet.
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Weitere Informationen: Eine einfache Regel für die dendritische Wirbelsäulen- und axonale Boutonbildung kann die kortikale Reorganisation nach fokalen Netzhautläsionen erklären. Markus Butz, Arjen van Ooyen, PLoS Comput Biol (online veröffentlicht 10 Oktober 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259
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