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Kein Kabelsalat im Hirn

Göttinger Forscher untersuchen Nervenzellen Kein Kabelsalat im Hirn

In unserem Gehirn sind Milliarden von Nervenzellen so verschaltet, dass sie Informationen effizient ablegen. Doch bislang sind viele Details unklar, etwa nach welchen Regeln die Nervenzellen des Gehirns miteinander verknüpft werden. Ein internationales Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) in Göttingen hat nun herausgefunden, dass es sich dabei nicht um zufällige Verschaltungen handelt.

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Im Fluoreszenzmikroskop wird das weitgehend zufällige Netzwerk sichtbar, das Nervenzellen in einer Zellkultur bilden.

Quelle: MPIDS

Göttingen. Diese Möglichkeit hatten Wissenschaftler in den vergangenen Jahren in Erwägung gezogen, weil rein zufällig verschaltete Netzwerke in Computern gut funktionieren. Um die Hypothese zu überprüfen, hat das Team um die Max-Planck-Forscher untersucht, ob das Gehirn zufällige neuronale Verbindungen für die Verarbeitung visueller Reize nutzt.

 
Schaltkreise in der Sehrinde
„Dass zufällige Verschaltungen in Nervensystemen tatsächlich existieren, haben Neurobiologen vor zwei Jahren im Geruchssystem der Fruchtfliege experimentell gezeigt“ erklärt Manuel Schottdorf, Forscher am MPIDS. Ob das Gehirn von Säugetieren die möglichen Vorteile zufälliger Verschaltungen ausnutzt, oder ob es eher auf selbstorganisierte Nervennetze setzt, war bislang unklar. Das Team, dem neben den Max-Planck-Wissenschaftlern um Fred Wolf auch Kollegen der Rockefeller University in New York und der Duke University in North Carolina angehörten, analysierte die Funktionsweise der Schaltkreise in der Sehrinde. Die Nervenzellen in diesem Teil des Gehirns helfen unter anderem, die Kanten von Objekten zu erkennen. Jede Zelle bevorzugt dabei eine Orientierung von Kanten, auf die sie besonders stark reagiert, beispielsweise senkrechte oder schräge. Benachbarte Zellen favorisieren meistens ähnliche Kantenorientierungen. Eine Ausnahme bilden einzelne Punkte, sogenannte Orientierungszentren, in denen die bevorzugten Orientierungen der umgebenden Zellen wie die Flügel eines Windrädchens zusammentreffen.
Wie viele dieser Zentren existieren und wie sie im Gewebe verteilt sein müssten, wenn die Idee der Zufallsverschaltungen gilt, haben die Göttinger Forscher exakt berechnet. Diese Vorhersagen unterschieden sich jedoch von der tatsächlichen Verteilung. 

 
Zufällige Netzwerke reichen nicht aus
Die Messungen nahmen die Max-Planck-Forscher zusammen mit Experten der Duke University vor. Unter anderem beobachteten sie dabei in einem bestimmten Volumen von Nervenzellen weniger Orientierungszentren, als die Berechnungen für zufällige Verknüpfungen ergaben. Zufällige Verschaltungen können die Anordnung der Orientierungszentren im Gehirn also nicht erklären. Modelle, in denen sich die Netzwerke selbstorganisiert formen, können dagegen nicht nur die Anzahl sondern auch die  komplexe räumliche Anordnung der Zentren nachbilden.

 
Die Forscher schließen nicht aus, dass anfangs zufällige Verbindungen vorhanden sein können, wenn sich das Gehirn entwickelt. Durch visuelle Erfahrung und die dynamische Umbildung von Nervenverbindungen reorganisiert sich das Gehirn jedoch so weitgehend, dass von den anfänglichen Verbindungen kaum etwas übrig ist. „Die Selbstorganisation der Schaltkreise im Gehirn ist nach unserer Studie die plausibelste Theorie für die Feinstruktur der Schaltkreise des visuellen Systems“, so Wolfgang Keil, der am MPIDS promovierte und gegenwärtig an der Rockefeller University forscht. Dazu passt, dass Säugetiere erst nach der Geburt sehen lernen. Für den vollen Durchblick reichen zufällige Netzwerke, wie sie anfangs möglicherweise vorhanden sind, offenbar nicht aus. chb/eb

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