Neues Verständnis eines Schlüsselkontrollmechanismus im Gehirn

Neues Verständnis eines Schlüsselkontrollmechanismus im Gehirn
Neues Verständnis eines Schlüsselkontrollmechanismus im Gehirn
Anonim

REHOVOT, Israel - 12. Januar 2000 - Trotz mehr als einem Jahrhundert Forschung über hemmende Neuronen ist sehr wenig darüber bekannt, wie diese kleine Population (10-20% der Gehirnneuronen) ihre kontrollierende Wirkung auf das Gehirn ausübt. Es ist nicht verwunderlich, dass hemmende Neuronen an den meisten neurologischen Störungen beteiligt sind, da sie für die normale Gehirnentwicklung, das Lernen und das Gedächtnis von entscheidender Bedeutung sind. Eine aktuelle Studie am Weizmann Institute of Science, die in der Januarausgabe 2000 von Science veröffentlicht wurde, enthüllt Schlüsselprinzipien, die dem Design und der Funktion dieses Hemmsystems zugrunde liegen.

Indem sie das Aktivitätsniveau benachbarter Neuronen unterdrücken, verhindern hemmende Neuronen (I-Neuronen), dass das Gehirn schnell unkontrolliert in übererregte Zustände oder ausgewachsene Epilepsie gerät. Eines der Probleme, die Kinder mit Autismus und Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörungen (ADHS) haben, ist eine Fehlfunktion der I-Neuronen: Ihr Hemmungssystem unterdrückt unerwünschte Informationen nicht effektiv und behindert ihre Fähigkeit, Entscheidungen zu treffen. Fehlfunktionen von I-Neuronen sind an Gedächtnisstörungen (wie der Alzheimer-Krankheit), neuronalen Traumata und Suchterkrankungen beteiligt. Es spielt auch eine Rolle bei einer Vielzahl von psychiatrischen Erkrankungen wie Depressionen, Zwangsstörungen und Schizophrenie.

In der Vergangenheit dachten Forscher im Grunde, dass I-Neuronen einfach einen hemmenden Neurotransmitter namens GABA auf ihre Nachbarn sprühten. Aber das erklärte nicht, wie sie genau zur richtigen Zeit und im richtigen Ausmaß die richtigen Neuronen hemmten. Die neue Studie im Labor von Prof.Wie ihnen das gelingt, zeigt Henry Markram von der Abteilung Neurobiologie des Weizmann-Instituts.

Die Neuronenmenge kontrollieren

Das Forschungsteam fand neue Arten von I-Neuronen und enthüllte, dass diese winzige Population um ein Vielfaches vielfältiger ist als bisher angenommen. Darüber hinaus gelang es den Forschern mit neuen, von ihnen entwickelten Methoden, direkt zu erfassen, wie einzelne hemmende Nervenzellen ihre Nachbarn kontrollieren. Sie fanden heraus, dass I-Neuronen komplexe Synapsen (Verbindungen) zu ihren Zielneuronen aufbauen. Die Synapsen filtern selektiv hemmende Botschaften und ermöglichen I-Neuronen, die Aktivität in Nachbarn nach Bedarf abzusch alten. Diese Synapsen fungieren als schnell sch altende "Wenn-dann"-Filtertore, die es ermöglichen, dass die Hemmung nur genau zur Millisekunde und im richtigen Grad angewendet wird.

Jedes I-Neuron richtet komplexe Wenn-Dann-Gatter zu Tausenden benachbarter Neuronen ein und ist daher "zuständig" für die Steuerung ihrer Aktivität.Die Tore ermöglichen es I-Neuronen, ihren Fokus schnell auf ein beliebiges Neuron umzusch alten, mit dem sie verbunden sind. Dieses ausgeklügelte Konstruktionsprinzip ermöglicht es der kleinen Gruppe von I-Neuronen, eine so raffinierte Wirkung auszuüben und gleichzeitig der Aktivität jedes der Neuronen, mit denen sie verbunden sind, "persönliche Aufmerksamkeit" zu schenken.

Am Verhandlungstisch

Die Forscher zeigten, dass eine "Diskussion" zwischen I-Neuronen und Zielneuronen an der Entscheidung beteiligt ist, welche Art von Wenn-Dann-Tor eingerichtet werden sollte, um die hemmende Botschaft zu filtern. Dieser Entscheidungsprozess könnte es ermöglichen, jedes Neuron im Gehirn auf eine potenziell einzigartige Weise zu hemmen. Dieser Prozess, der als "Interaktionsprinzip" bezeichnet wird, erzeugt eine maximale Vielf alt von Wenn-Dann-Gattern und ermöglicht eine komplexere und feinere Kontrolle über eine große Anzahl von Neuronen.

Ein potenzielles Brain-Mapping-Tool

Die Forscher fuhren fort, eine bemerkenswerte Fähigkeit von I-Neuronen zu enthüllen: Sie können Neuronen wahrnehmen, die dieselben Funktionen im Gehirn haben.I-Neuronen „wählen“Gruppen von Zielneuronen aus, um die gleiche Art von Wenn-Dann-Gattern zu konstruieren, wodurch die I-Neuronen möglicherweise Gruppen von Neuronen kollektiv steuern können.

Es bedeutet auch, dass I-Neuronen Neuronen im Gehirn „erschnüffeln“können, die bei den elementarsten Funktionen zusammenarbeiten, selbst wenn sie in fast jeder anderen Hinsicht unterschiedlich erscheinen (d. h. sie können Neuronen identifizieren, die von denselben abstammen "Vorfahren"). „I-Neuronen können Stammbäume von Neuronen nachverfolgen. Mit anderen Worten, sie könnten uns helfen, herauszufinden, wie Neuronen miteinander verwandt sind. Dies könnte uns eines Tages ermöglichen, den funktionellen Aspekt des Gehirns gemäß der Genealogie von Neuronen abzubilden - ein Organisationsprinzip, das wir nie für möglich geh alten hätten", sagt Markram. Die Forscher glauben, dass die Fähigkeit, funktionell verwandte Gruppen im Gehirn zu erkennen, das sogenannte "Homogenitätsprinzip", aus gemeinsamen Signalmolekülen resultiert, die von Zielzellen freigesetzt werden. I-Neuronen können die Signalmoleküle verwenden, um zu bestimmen, welche Art von Wenn-Dann-Gattern sie bauen sollen.Zukünftige Forschungen zur Identifizierung der Natur dieser Moleküle könnten ein wirksames Werkzeug zur Kartierung der funktionellen Struktur des Gehirns ergeben.

Das Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel, ist eines der weltweit führenden Zentren für wissenschaftliche Forschung und Graduiertenstudium. Seine 2.500 Wissenschaftler, Studenten, Techniker und Ingenieure betreiben Grundlagenforschung auf der Suche nach Wissen und zur Verbesserung der Menschheit. Neue Wege zur Bekämpfung von Krankheiten und Hunger, zum Schutz der Umwelt und zur Nutzung alternativer Energiequellen haben bei Weizmann hohe Priorität.

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