Wie Nervenzellen über große Entfernung miteinander kommunizieren

Freiburg – Resonanzphänomene könnten erklären, wie Nervenzellen im Gehirn über weite Distanzen miteinander kommunizieren. Das berichten Teams vom Exzellenzcluster BrainLinks-BrainTools und dem Bernstein Center der Universität Freiburg sowie der Abteilung UNIC des französischen Centre national de la recherche scientifique in Gif-sur-Yvette in der Fachzeitschrift PLoS Computational Biology (doi 10.1371/journal.pcbi.1003811).

So, wie Netzwerke von Nervenzellen im Gehirn miteinander verschaltet sind, ist die Kommunikation über große Distanzen laut den Neurowissenschaftlern eigentlich nicht möglich. Vermutungen, wie Information durch das Gehirn reisen, waren den Autoren zufolge unrealistisch: Entweder mussten die Wissenschaftler starke Verbindungen zwischen weit entfernten Hirnarealen annehmen, für die es keine Hinweise gebe, oder sie setzten einen globalen Mechanismus im Gehirn voraus, der Hirnareale in miteinander verbundene Schwingungen versetzt. Wie dies vonstattengehen sollte, konnte jedoch niemand erklären.

Die Neurowissenschaftler um Gerald Hahn und Alejandro Bujan geben nun eine mögliche Antwort, wie das Gehirn trotzdem funktionieren kann: Sie meinen, dass Resonanz die Schwingungen in der Aktivität der Nervenzellen so verstärkt, dass sich die Signale weiter ausbreiten. Dafür simulierten sie im Computer mehrere Netzwerke von Nervenzellen und untersuchten, wie sie Signale weiterleiten. Das Zusammenspiel von Erregung und Hemmung kann die Aktivität in einem Netzwerk um einen bestimmten Wert schwingen lassen.

Netzwerke haben für gewöhnlich eine Frequenz, bei der die Schwingungen besonders stark sind, so wie auch eine gespannte Geigensaite eine bevorzugte Frequenz besitzt. Schwingt die Aktivität mit dieser Frequenz, breiten sich Pulse viel weiter aus. Die Wissen­schaftler gehen davon aus, dass in bestimmten Fällen die Resonanzverstärkung bei schwingenden Signalen die einzige Möglichkeit für eine Kommunikation über weite Strecken sein könnte.

Sie vermuten darüber hinaus, dass das Gehirn durch die Fähigkeit eines Netzwerks, seine bevorzugte Frequenz zu verändern, Informationen zu verschiedenen Zeiten auf unterschiedliche Weise verarbeiten kann.

hil