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Kortex: Hirn führt Selbstgespräche mittels elektrischer Felder

Neuronen
Schläft man beziehungsweise ruht entspannt oder liegt sogar in Narkose, zeigen Gehirnmessungen mit einer Elektrode rhythmische Schwankungen der Nervenzellaktivität im Sekundentakt – insbesondere erhält man ein solches Ergebnis, wenn die Elektrode nicht wie bei hochpräzisen Messungen einzelne Neurone ins Visier nimmt, sondern das gemeinsame Feuern vieler tausender Zellen in ihrer Umgebung erfasst. Hinzu kommt der Einfluss der ebenfalls elektrisch aktiven Nervenverzweigungen.

Im Allgemeinen galten die dabei auftretenden elektrischen Felder, die lokalen Feldpotenziale – meist englisch local field potentials genannt –, als bloßer Nebeneffekt der elektrischen Aktivität der Zellen. Zwei Hirnforscher vom Kavli Institute of Neuroscience der Yale University in New Haven stellen das nun in Frage [1].

Wie Flavio Fröhlich und David McCormick berichten, ist das Feld theoretisch stark genug, um Teil eines Rückkopplungseffekts zu werden: Das durch die rhythmischen Aktivitätsschwankungen erzeugte Feld wirkt seinerseits regulierend und verstärkend auf die Zellen ein. Die Wissenschaftler beobachteten das an speziell präparierten Hirngewebsschnitten.

Es war bereits bekannt, dass solche elektrischen Felder in der Lage sind, auf die Vorgänge im Innern der Zellen einzuwirken – beispielsweise indem sie die Spannungsunterschiede über der Zellmembran beeinflussen. Mit ihren Experimenten und weiteren Computersimulationen konnten Fröhlich und McCormick unter anderem belegen, dass die natürlicherweise auftretenden Feldstärken ausreichend hoch sind.

Die Forscher setzten dazu ihre Proben künstlichen Feldpotenzialen aus, deren Frequenz und Amplitude sie manipulierten: Das regelmäßige An- und Abschwellen der Feldintensität verstärkte die Synchronizität der Zellen; zeitlich versetzte oder unregelmäßige Feldoszillationen brachten sie hingegen aus dem Takt.

Ob der Effekt auch beim lebenden Gesamtgehirn zum Tragen kommt, ist noch offen. Durch die im Vergleich zu den Gewebeschnitten stärker dreidimensionale Struktur der Großhirnrinde spielen womöglich Prozesse eine Rolle, die Fröhlich und McCormick im Labor nicht nachstellen konnten. Als sicher gilt, dass sich die fragliche Oszillation auch ohne einen starken Rückkopplungseffekt einstellt.

Wie ihre Kollegen Edward Mann von der University of California in Los Angeles und der Cambridge-Hirnforscher Ole Paulsen in einem begleitenden Kommentar schreiben, könnte der Rückkopplungseffekt vor allem bei krankhaften Veränderungen der Nervenaktivität zum Tragen kommen [2]. Bei bestimmten epilepsieähnlichen Anfällen beginnen Zellgruppen in einer Art plötzlichem Ausbruch zu feuern. Hier könnte sich womöglich eine anfänglich schwache Synchronizität in der beschriebenen Art und Weise rasant aufschaukeln.

Mann und Paulsen weisen aber auch daraufhin, dass – trotz vieler Theorien und einschlägiger Experimente – noch immer nicht hinreichend genau geklärt ist, welchem Zweck genau das synchronisierte Feuern der Nervenzellen im gesunden Gehirn dient. Nach Meinung einiger Wissenschaftler könnte es sich dabei lediglich um ein sichtbares Abfallprodukt versteckterer Verarbeitungsmechanismen handeln. (jd)

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  • Quellen
[1] Fröhlich, F., McCormick, D.: Endogenous Electric Fields May Guide Neocortical Network Activity. In: Neuron 67, S. 129–143, 2010.
[2] Mann, E.O., Paulsen, O.: Local Field Potential Oscillations as a Cortical Soliloquy. In: Neuron 10.1016/j.neuron.2010.06.036, 2010.

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