Wissenschaftler entdecken einzigartige Hirnaktivität im menschlichen Gehirn
21.01.2020
Ein Team von Wissenschaftlern aus Deutschland (Prof. Matthew Larkum, Humboldt-Universität zu Berlin) und Griechenland (Dr. Panayiota Poirazi, Institut für Molekularbiologie und Biotechnologie, Stiftung für Forschung und Technologie - Hellas (IMBB-FORTH)) hat eine einzigartige Form von Zellaktivität im menschlichen Gehirn entdeckt.
Einzelne menschliche Neuronen können viel leistungsstärkere Rechengeräte sein, als bisher angenommen. Dies geht aus einer neuen Studie hervor, in der bisher unbekannte elektrische Aktivitäten in neuralen Dendriten identifiziert wurden.
Am Ende eines Neurons senden und empfangen baumartige Anhänge, sogenannte Dendriten, elektrochemische Signale, die eine wichtige Rolle bei der Zusammenstellung von Informationen durch das Gehirn spielen, um die nächsten Aktionen zu bestimmen. Die, in der Science Ausgabe vom 3. Januar 2020, veröffentlichten Ergebnisse enthüllen unerwartet komplexe elektrische Aktivitäten in den Dendriten menschlicher Pyramiden-Neuronen, die dazu beitragen können, die Verarbeitungsleistung des menschlichen Gehirns auf einzigartige Weise zu steigern und es uns somit ermöglichen, komplizierte Probleme zu verstehen und zu lösen.
Neurologisch gesehen ist die Physiologie, die das menschliche Gehirn so besonders und fähig macht, nach wie vor wenig verstanden. Eine Möglichkeit könnte in der Dicke der kortikalen Schichten des menschlichen Gehirns liegen, insbesondere der Schichten 2 und 3, die im Vergleich zu anderen Arten eine unverhältnismäßig große Menge an Hirnsubstanz enthalten, sowie in zahlreichen Neuronen mit großen und ausgefeilten dendritischen Bäumen.
"Die Dendriten sind für das Verständnis des Gehirns von zentraler Bedeutung, da sie den Kern dessen bilden, was die Rechenleistung einzelner Neuronen bestimmt", sagte Studienmitautor Matthew Larkum, Neurowissenschaftler an der Humboldt-Universität zu Berlin. Laut Larkum ist die Erfassung der Aktivität von Dendriten bei lebenden Nagetieren eine große Herausforderung - und beim Menschen nahezu unmöglich. Infolgedessen wurde fast alles, was über aktive Dendriten bekannt ist, aus dem Gehirn von Nagetieren gewonnen.
Um dieses Problem anzugehen, untersuchten die Forscher direkt die aktiven Eigenschaften der Dendriten der Schichten 2 und 3 in Schichten des menschlichen Gehirngewebes und deckten mehrere neue Klassen elektrischer Aktivität auf, die für pyramidenförmige Neuronen in diesen Schichten einzigartig sind. Diese sind unbekannt und weitaus komplexer als in allen anderen untersuchten Neuronen miteinander ausgehen.
Durch die Modellierung dieser einzigartigen elektrischen Eigenschaften konnten Larkum und seine Kollegen nachweisen, dass die Eigenschaften eines einzelnen Neurons es ermöglichen, Rechenprobleme zu lösen, von denen angenommen wurde, dass sie mehrschichtige neuronale Netze erfordern.
These are layer 2/3 neurons of the human neocortex.
"Es gab einen 'Eureka'-Moment, als wir zum ersten Mal die dendritischen Aktionspotentiale sahen", sagte Larkum. "Die Experimente waren sehr herausfordernd. Larkum merkt jedoch an, dass über diese Dendriten bei anderen Arten fast nichts bekannt ist, und es bleibt abzuwarten, ob diese besondere dendritische Aktivität beim Menschen einzigartig komplex oder bei Nagetieren einzigartig einfach ist oder etwas in der Mitte.
"Uns fehlen die Informationen darüber, wie sie funktionieren, wenn das gesamte Gehirn aktiv ist, was bei der Beantwortung dieser Frage hilfreich sein kann", sagte Larkum.
Originalpublikation:
Gidon et al. (2020) Dendritic action potentials and computation in human layer 2/3 cortical neurons. Science. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aax6239
Quelle:
AAAS
Technologynetworks
Kontakt:
Prof. Dr. Matthew Larkum
Exzellenzcluster NeuroCure
Charité Universitätsmedizin Berlin
Charité Cross Over - Campus Mitte
Charitéplatz 1
10117 Berlin
E-Mail: matthew.larkum(at)hu-berlin.de