Geschwindigkeitsrekord im Gehirn

Nervenzellen im Gehirn können Informationen mit erstaunlich hoher
Geschwindigkeit austauschen, nämlich 1.000 Mal pro Sekunde. Ein wichtiger
Faktor für die schnelle Informationsverarbeitung. Neurophysiologen der
Universität Leipzig haben ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sie

Aktionspotenziale vor und hinter einer Kontaktstelle von zwei Nervenzellen

messen können. Ihre Ergebnisse sind aktuell in der angesehenen
neurowissenschaftlichen Zeitschrift "Neuron" erschienen.

Wie schnell tickt unser Gehirn? Die Antwort brachte für das
Wissenschaftlerteam um Prof. Dr. Stefan Hallermann vom Carl-Ludwig-
Institut für Physiologie eine überraschende Erkenntnis: Zusätzlich zu
ihrer großen Anzahl und hohen Vernetzung ticken Nervenzellen im Gehirn
auch noch enorm schnell. Das menschliche Gehirn hat ungefähr 100
Milliarden Nervenzellen. Jede von ihnen ist durchschnittlich mit tausend
anderen verbunden. Diese immense Parallelität allein führt schon zu
Beschleunigung. Damit aber nicht genug, zusätzlich feuert jede Nervenzelle
ihre elektrischen Signalreize auch noch mit enormer Geschwindigkeit an
ihre Nachbarn weiter. Die Wissenschaftler sprechen von Aktionspotenzialen.
Bisher galt die Einheit von 100 Hertz in den Lehrbüchern als Standard. Die
Leipziger haben jetzt 1.000 Hertz gemessen.

"Im Experiment haben wir die Höchstleistung künstlich geschaffen, indem
wir die Zellen bei maximaler Stimulation bis an ihre Leistungsgrenze
führten", sagt Hallermann. "Aber die Tatsache, dass die Zellen so schnell
feuern können, spricht für mich dafür, dass das Potenzial auch benutzt
wird." Mehr als die Frequenz habe ihn jedoch überrascht, so der
Neurophysiologe, dass die Aktionspotenziale in der Zelle so kurz, also
ultraschnell, sind. Kurze Aktionspotenziale machen den Weg frei, schnell
danach ein weiteres hinterher feuern zu können. "Wenn die
Aktionspotenziale länger wären, beispielsweise eine Millisekunde, wären
Frequenzen von 1.000 Hertz nicht möglich," erläutert einer der
Erstautoren, Dr. Igor Delvendahl.

Mit neuer Messmethode zum Erfolg

Die zweite überraschende Erkenntnis der Arbeit ist, dass die
Aktionspotenziale zur nächsten Zelle übertragen werden. Diese Erkenntnis
konnte nur gewonnen werden, weil die Leipziger Wissenschaftler ein
kompliziertes Messverfahren an den Kontaktstellen von zwei Nervenzellen
(Synapsen) entwickelten. Diese methodische Weiterentwicklung macht einen
großen Teil der wissenschaftlichen Arbeit aus. Bei der sogenannten "patch-
clamp-Technik" werden winzige Glaspipetten mit einem Durchmesser von einem
Mikrometer an die Zellen herangefahren, um ihre elektrischen Signale zu
messen. Die Herausforderung war es, eine Pipette auf die Signale sendenden
feinen Enden (Axone oder auch präsynaptischen Endigungen) sowie
gleichzeitig eine zweite Pipette auf den Zellkörper der empfangenden Zelle
zu positionieren. Um die präsynaptischen Endigungen besser finden zu
können, haben die Wissenschaftler sie fluoreszierend eingefärbt. Es gibt
wenige Stellen im Gehirn, an denen derartige Paarableitungen von der prä-
und postsynaptischen Zelle möglich sind. Deshalb ist die neue Messmethode
ein technischer Durchbruch.
Rennen und einem unerwarteten Hindernis ausweichen: Die Wissenschaft weiß
noch nicht, wo genau solch schnelle Entscheidungen im Gehirn entstehen,
wahrscheinlich arbeiten mehrere Areale zusammen. Die Leipziger haben sich
deshalb auf ein Areal konzentriert, bei dem ein Großteil der sensorischen
Information landet und weitergegeben werden muss. Damit es an solch einer
Stelle nicht zu einer Art Verkehrsstau kommt, müssen die Informationen
möglichst schnell über kurze Aktionspotenziale weitergegeben werden. Wie
eine schnelle Signalweitergabe an die Muskeln funktioniert, ist bislang
noch nicht geklärt, weil es technisch nicht leicht ist, solche hohen
Frequenzen zu analysieren.

"Für den Neurostandort Leipzig ist es wichtig, dass wir im Team solche
international sichtbaren Publikationen zustande bringen. Das ebnet
letztlich den Weg, gute Mitarbeiter zu gewinnen und Forschungsverbünde
aufzubauen", ist Hallermann überzeugt. Den Mediziner und Physiker
fasziniert es, mit naturwissenschaftlichen Methoden und hochtechnischen
Mikroskopen die Informationsverarbeitung im Gehirn zu untersuchen.
Langfristig hat er die Hoffnung, dass mit Hilfe der Grundlagenforschung
die Hirnfunktionen besser verstanden werden, um dann bei neurologischen
oder psychiatrischen Erkrankungen zu einer besseren Therapie zu kommen.
 

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Fachveröffentlichung:
Ultrafast Action Potentials Mediate Kilohertz Signaling at a Central
Synapse
DOI: 10.1016 / j.neuron.2014.08.036

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Stefan Hallermann
Carl-Ludwig-Institut für Physiologie / Lehrstuhl für Neurophysiologie
Telefon: +49 341 97-15500
E-Mail: stefan.hallermann@medizin.uni-leipzig.de
Web: <cliphys.uniklinikum-leipzig.de>