Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die grundlegenden Einheiten des Nervensystems und spielen eine entscheidende Rolle bei der Verarbeitung und Übertragung von Informationen im Körper. Sie kommunizieren miteinander durch elektrische und chemische Signale, die als Aktionspotentiale bezeichnet werden. Das "Feuern" einer Nervenzelle bezieht sich auf die Erzeugung und Weiterleitung dieser Aktionspotentiale. Dieser Artikel beleuchtet die komplexen Mechanismen und vielfältigen Ursachen, die das Feuern von Nervenzellen beeinflussen und steuern.
Grundlagen der neuronalen Kommunikation
Jede Nervenzelle steht mit bis zu hunderttausend anderen Nervenzellen in Kontakt. Informationen empfangen sie über astartig verzweigte Ausläufer, die Dendriten. Aus diesem Input generiert die Zelle gegebenenfalls ein einziges Ausgangssignal, das Aktionspotenzial. Dieser Feuerpuls wird über ein Axon an andere Neurone verteilt.
Das Feuern von Nervenzellen ist keine zufällige Aktivität, sondern ein hochregulierter Prozess, der von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Nervenzellen feuern nur dann, wenn der Input stimmt. Dazu können sie beispielsweise die Eingangssignale aufsummieren. Wenn die Summe eine Mindestschwelle überschreitet, erzeugt die Zelle ein Aktionspotenzial. Diese Art der Verarbeitung wird auch als linear bezeichnet: Jedes einzelne Eingangssignal wird addiert bis ein Feuerpuls entsteht.
Nichtlineare Verarbeitung von Signalen in Dendriten
Dendriten können jedoch auch nichtlinear reagieren: Aus wenigen kleinen Eingangssignalen generieren sie einen großen Gesamtpuls, einen Spike. Ein einziger Spike reicht in der Regel aus, um die Nervenzelle zum Feuern zu bringen. Bislang waren zwei Bedingungen bekannt, unter denen Dendriten den nichtlinearen Weg einschlagen:
- Gleichzeitigkeit der Eingangssignale: Die Eingangssignale müssen nahezu gleichzeitig erfolgen.
- Räumliche Nähe der Kontaktstellen: Die Kontaktstellen, über die diese Signale an das Neuron übermittelt werden, müssen nahe beieinander liegen.
Forscher der Universität Bonn haben nun eine dritte Voraussetzung für den nichtlinearen Weg gefunden: Dendriten können demnach nur dann einen Spike erzeugen, wenn die Zelle zuvor eine Weile nicht gefeuert hat. „Wir nennen dieses Prinzip ‚The Winner Takes It All‘“, sagt der Bonner Forscher. „Wenn ein Dendriten-Ast durch einen Spike ein Aktionspotenzial ausgelöst hat, können andere Äste für ein bis zwei Sekunden keine Spikes mehr erzeugen - auch wenn die sonstigen Voraussetzungen stimmen.“ Mit dieser Methode scheint das Gehirn eine Übererregung zu verhindern.
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Die Rolle von Hemmung und Erregung
Das Gehirn benötigt ein ausgewogenes Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung, um stabil und gesund zu funktionieren. Erregende Nervenzellen leiten Signale weiter und regen die Aktivität an, während hemmende Nervenzellen die Aktivität begrenzen und verhindern, dass Nervenzellen zu stark oder unkontrolliert feuern.
Eine Studie am Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz hat gezeigt, dass später geborene inhibitorische Nervenzellen schneller reifen als früher entstandene Zellen. Dies könnte ein Mechanismus sein, um einen anfänglichen Zeitrückstand aufzuholen und sicherzustellen, dass alle Nervenzellen zum Zeitpunkt des Einbaus in das Gehirnnetzwerk einen ähnlichen Entwicklungsstand aufweisen. Veränderungen in den Genen oder Mechanismen, die diese Entwicklung steuern, können bereits während der Embryonalentwicklung die Entwicklungspfade beeinflussen, die möglicherweise zu Erkrankungen wie Autismus oder Epilepsie führen.
Synaptische Übertragung und Regeneration
Eine im Fachjournal „Neuron“ veröffentlichte Studie von Forschenden des DZNE liefert Hinweise darauf, dass die Unfähigkeit von ausgewachsenen Nervenzellen des zentralen Nervensystems, sich nach Schädigungen zu regenerieren, eng mit der Eigenschaft der Nervenzellen zusammenhängt, miteinander zu kommunizieren. Konkret fanden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler heraus, dass zwei Proteine, die für die so genannte synaptische Übertragung zwischen Nervenzellen entscheidend sind, das Auswachsen von Zellfortsätzen verhindern.
Die identifizierten Moleküle mit den Namen „Munc13“ und „RIMs“ treten im „präsynaptische Endknöpfchen“ auf, dem äußersten Ende eines Axons. Beide Proteine sind an einem Prozess beteiligt, der als „Vesikel-Priming“ bezeichnet wird und letztlich zur Freisetzung von Neurotransmittern führt, chemischen Verbindungen, über die Nervenzellen miteinander kommunizieren. Experimente, bei denen diese Proteine sozusagen aktiviert und deaktiviert werden konnten, zeigten, dass Munc13 und RIMs die Regeneration von Nervenzellen hemmen.
Untersuchungen an Mäusen mit einer Rückenmarksläsion ergaben, dass die Behandlung mit dem Medikament Baclofen, das die Erregbarkeit von Nervenzellen und die synaptische Übertragung verringert, tatsächlich Wachstum und Regeneration von Axonen im verletzten Rückenmark anregte.
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Gedächtnis und neuronale Aktivität
Wie speichert das Gehirn die Abfolge von Ereignissen im Gedächtnis? Eine Studie des Universitätsklinikums Bonn (UKB) und der Universität Tübingen hat gezeigt, dass die genaue Abfolge der Zellantworten im Gehirn nicht mit der Abfolge der Ereignisse übereinstimmt. Stattdessen entdeckten die Forschenden einen alternativen Mechanismus, der aus einem zeitlich-dynamischen Zusammenspiel der Bildpräsentationen, ablaufenden Hirnschwingungen und Signalen von einzelnen Zellen entsteht. Mit Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) trainierten sie ein im Computer nachgebautes neuronales Netzwerk in den gleichen Gedächtnisaufgaben, die auch die Menschen durchführen sollten. „Um die Aufgabe erfolgreich zu meistern, zeigte das Computer-Modell interessanterweise hierbei ähnliche Aktivitätsmuster wie die von uns aufgezeichnete Gehirnaktivität“, erklärt Dr. Durch die Modellsimulation entdeckten die Forschenden zusätzlich einen alternativen Mechanismus der Erinnerung von Reihenfolgen, der aus einem zeitlich-dynamischen Zusammenspiel der Bildpräsentationen, ablaufenden Hirnschwingungen und Signalen von einzelnen Zellen entsteht.
Neuronale Netzwerke und ihre Organisation
Das Gehirn ist nicht linear organisiert, sondern dreidimensional. Die Signale der neuralen Netzwerke sind auf komplexe Weise räumlich strukturiert und zeitlich getaktet. Neuronale Netzwerke funktionieren durch ein komplexes Zusammenspiel aktivierender und hemmender Signale, welche die Aktionspotenziale der einzelnen Nervenzellen beeinflussen.
Nervenzellen interagieren miteinander nach den Prinzipien der Konvergenz und der Divergenz. Auf globaler Ebene sorgen Netzwerke für die unterschiedlichen Funktionszustände im Gehirn, etwa das Träumen oder den Wachzustand.
Ein Code des neuronalen Zusammenspiels ist der Takt, mit dem Nervenzellen feuern. Man nennt die verschiedenen Wellen Oszillationen. Es gibt sie in unterschiedlichen Hertz-Bereichen.
Spontane Aktivität und neuronale Lawinen
Nervenzellen sind manchmal spontan aktiv - ohne äußeren Anlass. Solche Erregungen können sich im Kleine-Welt-Netzwerk des Gehirns nicht nur lokal, sondern - seltener - auch global ausbreiten. Die Statistik dieser Wellen fasziniert Hirnforscher. Sie zeigt nämlich, dass die Architektur eines Netzwerks sein Aktivitätsmuster bestimmt. Phänomene wie diese liegen irgendwo zwischen Ordnung und Chaos, zwischen Zufall und Notwendigkeit. „Selbst-organisierte Kritikalität“ ist das Fachwort dafür.
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