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Neuer "Mini-Neuronalcomputer" im Gehirn entdeckt
Neurowissenschaftler haben entdeckt, dass Dendriten - verzweigtartige Projektionen von Neuronen im Gehirn - die zuvor als passiv betrachtet wurden, Informationen aktiv verarbeiten. Die Entdeckung dieses sogenannten Mini-Hirn-Computers könnte ein besseres Verständnis neurologischer Störungen ermöglichen.
Neurowissenschaftler vom University College London (UCL) in Großbritannien und der University of North Carolina (UNC) in Chapel Hill machten diese Entdeckung, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur, nach Jahren der Forschung.
"Plötzlich ist die Rechenleistung des Gehirns viel größer als ursprünglich angenommen", sagt Spencer Smith, Assistenzprofessor an der UNC School of Medicine.
Das Team merkt an, dass frühere Forschungen gezeigt haben, dass Dendriten Moleküle verwenden, die elektrische Spikes in Axonen - Nervenfasern, die elektrische Impulse vom Körper wegleiten - unterstützen, um selbst elektrische Spikes zu erzeugen.
Es war jedoch unklar, ob unsere normale Gehirnaktivität diese Spitzen aus Dendriten verwendet. Die Neurowissenschaftler fanden heraus, dass Dendriten selbst neuronale Eingangssignale aktiv verarbeiten und als "Mini-Neuronale Computer" fungieren.
Lokale Verarbeitung innerhalb von Dendriten
Um dies zu demonstrieren, führten die beiden Wissenschaftlerteams auf beiden Seiten des Atlantischen Ozeans eine Reihe detaillierter Experimente durch, die sich über Jahre erstreckten.
Eine Pipette, die an einem Dendriten im Gehirn einer Maus angebracht war, erlaubte es den Forschern, elektrische Aktivität zu messen, wie etwa eine dendritische Spitze. Credit: Mit freundlicher Genehmigung von Spencer Smith.
Durch das Anbringen mikroskopischer Glaspipettenelektroden an einem neuronalen Dendriten im Gehirn einer Maus war das Team in der Lage, auf den elektrischen Signalprozess zu "hören".
Nach dem Beginn in dem Labor von Seniorautor Michael Hausser am UCL setzte das Team von UNC die Forschung fort, indem es elektrische Signale von Dendriten in den Gehirnen von Mäusen, die entweder wach waren oder anästhesiert waren, aufzeichnete.
Während die Mäuse visuelle Reize auf einem Bildschirm sahen, beobachteten die Wissenschaftler ein seltsames Muster elektrischer Signale in den Dendriten.
In der Tat fanden sie heraus, dass die dendritischen Stacheln "selektiv auftraten", je nachdem, welchen visuellen Reiz die Mäuse beobachteten, was zeigt, dass die Dendriten das verarbeiten, was das Tier beobachtet hat.
Als das Team Neuronen mit Kalzium-Farbstoff füllte, waren sie in der Lage, visuelle Beweise für die dendritischen Spitzen aufzuzeichnen, was zeigte, dass Dendriten elektrische Spitzen abfeuerten, während andere Teile des Neurons dies nicht taten.
Smith bemerkt, dass die Spikes aus der lokalen Verarbeitung in den Dendriten resultieren:
"Alle Daten deuten auf die gleiche Schlussfolgerung hin. Die Dendriten sind keine passiven Integratoren sensorisch gesteuerter Eingaben; sie scheinen auch eine Recheneinheit zu sein."
Implikationen für neurologische Störungen
Die Forscher sagen, dass ihre Ergebnisse die Art und Weise ändern könnten, wie die wissenschaftliche Gemeinschaft darüber nachdenkt, wie neuronale Schaltkreise im Gehirn funktionieren.
"Stellen Sie sich vor, Sie bauen ein Stück Alien-Technologie zurück", sagt Smith, "und was Sie für einfache Verdrahtung hielten, sind Transistoren, die Informationen berechnen. So ist das Ergebnis. Die Implikationen sind aufregend zu denken."
Das Team der UNC plant weitere Forschungen darüber, was diese neu entdeckte Rolle von Dendriten in der Gehirnschaltung spielen könnte, insbesondere in Situationen, in denen die Integration von dendritischen Signalen fehlschlagen könnte.
Spencer Smith erklärte zu Medizinische Nachrichten heute Wie die Erkenntnisse seines Teams der medizinischen Gemeinschaft helfen können, neurologische Störungen besser zu verstehen:
"Es ist ungeheuer schwierig, Behandlungen für neurologische Erkrankungen wie Autismus und Schizophrenie zu entwickeln, weil wir nicht verstehen, wie das gesunde Gehirn funktioniert, geschweige denn, was bei diesen Krankheiten schief läuft. Daher ist die grundlegende neurowissenschaftliche Forschung, wie unsere Studie, ein wesentlicher Schritt auf dem langen Weg zu neuen Therapien. Dies ist eine wichtige Motivation für die BRAIN-Initiative von Präsident Obama. "
Er fügte hinzu, dass, wenn andere zukünftige Forschung "offenbaren, dass einige Krankheiten dysfunktionales dendritisches Spiking als Komponente haben, dann könnte es möglich sein, Behandlungen zu entwickeln, weil es viele Medikamente gibt, die die elektrische Aktivität von Neuronen beeinflussen können."
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