Neuronale Netzwerke mit Verstärker

Alle Vorgänge im Gehirn sind darauf angewiesen, dass die Nervenzellen Signale hinreichend verlässlich verarbeiten und weiterleiten. Das gilt auch für die Hirnregionen, in denen die Neuronen weniger eng mit einander vernetzt sind.

Doktor Raoul-Martin Memmesheimer vom Max-Planck-Institut hat nun erstmals eine Theorie entwickelt, die diese Fähigkeit erklärt, und hat dafür die Otto-Hahn-Medaille erhalten. Seine Modelle berücksichtigen, dass Neuronen mit einer Art Signalverstärker ausgerüstet sind.

Die Neuronen im Gehirn kommunizieren mit Hilfe elektrischer Impulse, die sie entlang ihrer Fortsätze an ihre Nachbarn weiterleiten. Diese können dann ihrerseits einen elektrischen Impuls abfeuern, so dass sich ein Signal durch das gesamte neuronale Netzwerk fortpflanzen kann.

Allerdings gibt es eine Hürde: Nur wenn die Wirkung empfangener Impulse eine gewisse Schwelle überschreitet, sendet das Neuron auch tatsächlich selbst einen solchen Impuls. Auf diese Weise setzen sich besonders solche Signale durch, bei denen ein Neuron Impulse von mehreren seiner Nachbar-Gehirnzellen gleichzeitig empfängt.

Trotz dieses gemeinsamen Prinzips ist das neuronale Netzwerk nicht überall gleich aufgebaut: In manchen Regionen sind die Neuronen dichter miteinander verwoben als in anderen. Besonders die Übertragung starker Signale in schwach vernetzten Regionen des Gehirns war Wissenschaftlern bisher ein Rätsel. Denn die Forscher gingen davon aus, dass nur sehr dicht verwobene Netzwerke Signale mit ausreichender Verlässlichkeit übermitteln können. Nach dem Prinzip "doppelt hält besser" sind in solchen Systemen sehr viele Neuronen mit denselben Nachbarn verknüpft. Fällt ein Neuron aus, treten andere deshalb mühelos an seine Stelle und leiten das Signal dennoch weiter.

Memmesheimer bietet nun eine andere Erklärung. Er berücksichtigte, dass Neuronen einen aktiven Verstärkungsmechanismus besitzen. Kommen etwa die Impulse zweier Zellen nahezu gleichzeitig am Neuron an, wird deren Wirkung unter bestimmten Bedingungen nicht nur summiert, sondern weiter verstärkt.

MEDICA.de; Quelle: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation