Lawinen neuronaler Entladung

Ein Korn nach dem anderen
- bis zur Kritikalität
© Anna Levina

Viele Systeme in der Natur steuern von selbst auf ein höchst instabiles Gleichgewicht zu: Rieselt Sand auf den Boden, dann häuft er sich an, bis der Winkel so steil ist, dass Lawinen die Böschung herunterstürzen. Dabei gibt es keine typische Lawinengröße, in zufälliger Reihenfolge entstehen viele kleine Lawinen, in anderen Fällen wenige große. Der Punkt, an dem sich die Lawinen lösen, nennt man "selbstorganisierte Kritikalität".

Dass die Signalweitergabe im Nervensystem ebenfalls diesem Prinzip folgt, vermuteten Wissenschaftler schon 2002 - auf der Basis von theoretischen Berechnungen. In einer neuen Studie ist es nun Forschern vom Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience, dem Max Planck Institut für Dynamik und Selbstorganisation und der Universität Göttingen gelungen, die neuronalen Mechanismen zu identifizieren, die diesem Phänomen zu Grunde liegen.

Auch im Nervensystem gibt es nämlich Lawinen - aus neuronaler Entladung. Sendet eine Nervenzelle einen elektrischen Impuls, so kann dies, muss aber nicht in einem nachgeschalteten Neuron ebenfalls einen Impuls auslösen. Je nachdem, ob der Impuls weitergegeben wurde und wie oft sich das wiederholt, kommt es zu Ketten neuronaler Entladungen mit einer jeweils sehr unterschiedlichen Anzahl von Neuronen.

"Auf diese Weise kann das Nervensystem das volle Spektrum seiner Reaktionsmöglichkeiten ausschöpfen - mal reagiert es stärker, in anderen Fällen weniger stark", erklärt Michael Herrmann. In ihrer neuen Studie ist es den Wissenschaftlern gelungen, selbstorganisierte Kritikalität eines Netzwerks im Computer realitätsnah zu modellieren und zu erklären, indem sie berücksichtigten, dass sich die Verbindungsstärke zwischen Neuronen durch die wiederholte neuronale Aktivität abschwächt.

Lange Zeit haben Neurologen in der synaptischen Depression – eine Erschöpfung des Vorratsspeichers an Botenstoffen im Gehirn - eine biologisch bedingte Unzulänglichkeit gesehen. Erst in den letzten Jahren wurde erkannt, dass sie für die Funktion des Gehirns durchaus bedeutend ist. Die Wissenschaftler haben gezeigt, dass dieser synaptische Anpassungsmechanismus das neuronale Netz in einen Zustand der selbstorganisierten Kritikalität treibt, der nah an der Grenze zum Chaos liegt.

MEDICA.de; Quelle: Bernstein Centers for Computational Neuroscience