Schnell reagieren

Foto: Torwart

Einen heranrasenden Ball kann ein
Torwart innerhalb einiger hundert
Millisekunden wahrnehmen –
und mit etwas Glück entsprechend
reagieren;© panthermedia.net/
Nick Fingerhut

Die Rechnungen der Forscher unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) zeigen, dass die Zusammenarbeit bestimmter Proteine, sogenannter Ionenkanäle, in der Zellmembran das einzelne Neuron zum „Schnellsprecher“ macht. Vor Kurzem lieferten Forscher desselben Instituts zudem die erste experimentelle Bestätigung für eine ultraschnelle Signalübertragung im Gehirn. Sie konnten beweisen, dass das Miteinander bereits einiger tausend Neuronen das schnelle Wahrnehmen von Informationen ermöglicht. Beide Ergebnisse tragen nun maßgeblich dazu bei zu verstehen, wie es dem Gehirn gelingt, Informationen ultraschnell zu verarbeiten.

Die neue Studie liefert nun einen völlig neuen Blick auf die biophysikalischen Prozesse, welche die Funktionsweise des einzelnen Neurons bestimmen. Damit ein Neuron eine ankommende Information weiterleiten kann, muss es einen elektrischen Spannungsimpuls an seiner Zellmembran erzeugen. Doch wie gelingt es, den optimalen Zeitpunkt für diesen Spannungspuls so festzulegen? Den Schlüssel zu diesem Verhalten liefern bestimmte Proteine, so genannte Kanalproteine oder Ionenkanäle, welche den Transport elektrisch geladener Teilchen wie etwa Natriumionen durch die Zellmembran ermöglichen. „Damit die Zelle den Zeitpunkt für eine Spannungspuls so genau wie möglich auswählen kann, müssen sich schlagartig sehr viele Ionenkanäle öffnen“, erklärt Professor Fred Wolf. „Bisher hatten Wissenschaftler angenommen, dass dies wegen eines mangelnden Zusammenspiels zwischen den Proteinen nur begrenzt möglich ist“, ergänzt er. Doch die neuen Ergebnisse zeigen, dass eine direkte Kopplung der Ionenkanäle diese Beschränkungen beseitigen kann.

Durch die Studie zeigte sich, dass die Neuronengruppen Signaländerungen innerhalb nur einer Tausendstel Sekunde wahrnehmen können. Zudem konnten die Wissenschaftler erstmals entschlüsseln, welchen Kommunikationsweg die Neuronen für ihr ultraschnelles Gespräch bevorzugen. „Das Signal, das die Neuronengruppe erfährt, besteht aus zwei Komponenten“, erklärt Doktor Tatjana Tchumatchenko den Grundgedanken. Die vielen tausend elektrischen Einzelströme der Nachbarzellen nimmt die Gruppe als mittleren Strom wahr. Je nachdem, wie viele Zellen wie kommunizieren, fällt dieser stärker oder schwächer aus. Zusätzlich sind diesem Strom Fluktuationen überlagert.

„Bisher war unklar, welcher Teil des Signals für das blitzschnelle Reaktionsvermögen der Neuronen verantwortlich ist“, so Wolf. „Wir wussten sozusagen nicht, in welcher Sprache die Neuronen miteinander sprechen.“ Im Experiment ließ sich nun diese „Sprache“ zweifelsfrei identifizieren. Denn eine sprunghafte Veränderung des mittleren Stroms erwies sich als deutlich empfindlicherer – und somit verlässlicherer – Kommunikationsweg.

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