Gehirnkapazität: "Zehn-Prozent-Mythos" neu definiert

15. November 2016, 10:21
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Neurowissenschaftern aus Tübingen ist es erstmals gelungen, aktive und inaktive Zellen im Gehirn zu unterscheiden

Das menschliche Gehirn ist eine Herausforderungen für die Wissenschaft. Legionen von Forschern arbeiten daran, Aufbau und Funktionsweise des menschlichen Steuerungsorgans zu verstehen. Es ist ein Prozess der kleinen Schritte.

Nun ist es Tübinger Neurowissenschaftlern erstmals gelungen, aktive und inaktive Zellen im Gehirn morphologisch, also anhand ihres Aufbaus, zu unterscheiden. Bei einer Analyse von sogenannten Körnerzellen im Rattengehirn fanden sie dabei weitaus mehr inaktive als aktive Zellen.

Viele Dinge, die wir sicher zu wissen glauben, haben ihren Ursprung nicht in der Wissenschaft, sondern in der Populärkultur. Der verbreitetste Irrtum über das Gehirn ist die Vorstellung, wir würden nur zehn Prozent unserer Gehirnkapazität verwenden. Der sogenannte "Zehn-Prozent-Mythos" ist unter Neurowissenschaftlern zwar verpönt, ist aber weit verbreitet.

Der wahre Kern

Wie jeder Mythos enthält aber auch dieser einen wahren Kern: Viele Neuronen bleiben den größten Teil des Lebens über inaktiv, selbst wenn unmittelbar benachbarte Zellen rege Aktivität zeigen. Ein wichtiger Schritt zur Beantwortung der Frage, warum nur manche Neuronen aktiv sind, gelang nun einem Wissenschaftlerteam um Andrea Burgalossi vom Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften (CIN) der Universität Tübingen: Sie können die Zellen nun morphologisch, also in ihrem Aufbau, auseinander halten.

Dazu machten die Forscher sogenannte juxtazelluläre Ableitungen der Nervenzellaktivität in freilaufenden Ratten. Bei dieser Technik liegen Elektroden zur Aufzeichnung direkt neben einzelnen, funktionierenden Neuronen in lebenden Organismen. Das erlaubt die Aufzeichnung von Aktionspotenzialen der Neuronen, während diese arbeiten, und zugleich die Identifikation der so aufgezeichneten Zellen zur späteren Analyse. Die Analyse dient dann zur Identifikation morphologischer Eigenschaften der Zellen, vor allem ihrer Dendriten, das sind Fortsätze, über die Signale von anderen Neuronen aufgenommen werden.

Bei den untersuchten Zellen handelte es sich um Körnerzellen im Gyrus dentatus von Ratten. Schon länger ist bekannt, dass die Körnerzellen im Gyrus dentatus große Bedeutung für die Formierung einzelner Erinnerungen haben, etwa von Orten und Individuen. Sie spielen daher eine zentrale Rolle bei Gedächtnisleistungen. Die Forscher zeichneten Daten von insgesamt 190 Körnerzellen auf und fanden darunter nur 27 aktive Zellen (etwa 14 Prozent).

Das scheint den "Zehn-Prozent-Mythos" zu erhärten, war von den Wissenschaftlern aber so erwartet worden: Der Gyrus dentatus ist eine Hirnstruktur, in der an jeder einzelnen Verarbeitungsleistung nur ein besonders kleiner Anteil der Neuronen einen Anteil hat, während die umliegenden Zellen sozusagen geduldig auf ihren Einsatz warten.

Verschlüsselung im Kopf

Gedächtnisfunktionen sind im Gehirn nach einem Prinzip angelegt, das Neurowissenschaftler als "sparse coding" bezeichnen: sparsame Enkodierung. Eine vergleichsweise kleine Zahl Neuronen dient dabei zur Verschlüsselung einer komplexen Information. Möglicherweise hilft ein solches Prinzip, Überschneidungen zwischen verschiedenen Erinnerungen zu vermeiden.

In einer kleineren Untergruppe der untersuchten Zellen gingen die Forscher Korrelationen zwischen aktiver und passiver Funktion einerseits und der Morphologie der jeweiligen Zellen andererseits nach. Das Ergebnis: Aktive Körnerzellen verfügen über mehr und viel weiter verzweigte Dendriten.

Sie erhalten also nicht nur Informationen von wesentlich mehr Neuronen, als es bei inaktiven Körnerzellen der Fall ist, sie haben auch eine Infrastruktur, die deutlich besser dazu geeignet ist, Signale zu empfangen und weiterzuleiten.

Neuer Auftakt

Trotz der noch überschaubaren Zahl ihrer Stichprobe sind sich die Wissenschaftler sicher, dass sie aktive und inaktive Körnerzellen künftig mit hoher Zuverlässigkeit auf einen Blick auseinander halten können. Burgalossi, der die Forschergruppe leitet, ist vorsichtig optimistisch: "Es wird noch länger dauern, bis wir die Gründe kennen, warum manche Neuronen aktiv sind und andere nicht. Aber diese direkte Verbindung zwischen Funktion und Morphologie, die wir jetzt gefunden haben, ist schon ein wichtiger Schritt. Den Nachweis für eine Kausalbeziehung zu finden, wird sicher noch schwierig. Aber wir sind auf der richtigen Spur." (red/idw, 15.11.2016)

Originalpublikation:

Anatomical organization of presubicular head-direction circuits

  • Wie die Neuronen schalten und wie sich dieser Prozess im Laufe eines Lebens verändert, ist eine große Herausforderung für die Wissenschaft.
    foto: istockphoto

    Wie die Neuronen schalten und wie sich dieser Prozess im Laufe eines Lebens verändert, ist eine große Herausforderung für die Wissenschaft.

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