Wie Informationen im Gehirn codiert werden: Neue Theorie zur Signalausbreitung

Wie Informationen im Gehirn codiert werden: Neue Theorie zur Signalausbreitung
Wie Informationen im Gehirn codiert werden: Neue Theorie zur Signalausbreitung
Anonim

Seit mehr als fünfzig Jahren wird in der Neurowissenschaft intensiv darüber diskutiert, wie Informationen im Gehirn kodiert und zuverlässig von einer Hirnregion zur nächsten übertragen werden. Kodierungssysteme, die sich gegenseitig ausschließen, wurden vorgeschlagen und werden tatkräftig unterstützt.

Wissenschaftler der Universität Freiburg konnten nun (in einer in Kürze erscheinenden Ausgabe von Nature Reviews Neuroscience) nachweisen, dass frühere Studien auf ziemlich extremen Annahmen basierten. Stattdessen ist es möglich, dass unter bestimmten Bedingungen beide vorgeschlagenen Codes gleichzeitig im Gehirn verwendet werden können.

Eines der ungelösten Rätsel des Gehirns ist die Frage, welcher Code verwendet wird, wenn Nervenzellen miteinander kommunizieren. Seit mehr als einem Jahrhundert ist bekannt, dass die Grundeinheit der Kommunikation innerhalb des Nervensystems die pulsartige Spannungsschwankung an der Membran von Neuronen ist. Doch wie diese sogenannten Aktionspotentiale zu einem Code für die eigentliche Verarbeitung und Übermittlung von Informationen kombiniert werden, wird noch immer diskutiert. Zwei Formen der Codierung sind beliebte Kandidaten: Eine basiert auf der Rate von Aktionspotentialen (Ratencodierung) und die andere auf dem Zeitpunkt ihres Auftretens (zeitliche Codierung).

Bisher war die Natur des neuronalen Codes für die experimentelle Hirnforschung weitgehend unerreichbar. Selbst die Gehirne von Insekten sind zu komplex, als dass heutige Wissenschaftler feststellen könnten, welchen Code sie verwenden. Theoretische Ansätze, Gehirnprozesse mittels Computermodellen zu simulieren, spielen daher innerhalb der modernen Neurowissenschaften eine wichtige Rolle und können diese und andere Fragen beantworten.

Modelle, die in früheren Studien vorgestellt wurden, legten nahe, dass nur einer der beiden vorgeschlagenen Codes zu jedem Zeitpunkt in neuronalen Netzwerken verwendet werden könnte. Je nachdem, wie Neuronen miteinander in Kontakt treten, könnten entweder Pulsfrequenz oder Timings zuverlässig übertragen werden.

Arvind Kumar, Stefan Rotter und Ad Aertsen vom Bernstein Center Freiburg schlagen nun vor, dass unter bestimmten Bedingungen tatsächlich beide Kodierungsformen gleichzeitig eingesetzt werden können. Die Wissenschaftler argumentieren, dass frühere Studien die mögliche Koexistenz beider Codes nicht erkannt haben, da sie zwei Extreme eines Kontinuums biologisch plausibler Bedingungen darstellen.

In dem jetzt online verfügbaren Artikel demonstrieren die Wissenschaftler, dass frühere Erkenntnisse in einen größeren konzeptionellen Rahmen der neuronalen Kodierung und Übertragung eingebunden werden können. Außerdem zeigt ihre Analyse der erforderlichen Bedingungen, dass es tatsächlich möglich ist, beide Codes gleichzeitig in einem neuronalen Netz zu verwenden.Damit wurden erstmals Bedingungen für diese Koexistenz verschiedener neuronaler Codes identifiziert. Dies liefert wertvolle Hinweise, was in zukünftigen Experimenten analysiert werden sollte, wenn versucht wird, die Codes zu identifizieren, die von „echten“Gehirnen verwendet werden.

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