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Dynamik neuronaler Schaltkreise Alles geregelt: Neuronen im Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung

Redakteur: Christian Lüttmann

Im Gehirn herrscht ein unvorstellbares Signalfeuerwerk. Dabei sorgen manche Neuronen für eine Verstärkung, andere für eine Abschwächung von Signalen. Wie dieses Gleichgewicht erhalten wird, hat nun ein internationales Forscherteam untersucht.

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Neuronale Kultur mit 80 Prozent hemmenden (rot) and 20 Prozent erregenden (grün) Neuronen. Der Anteil hemmender Neuronen ist vier Mal höher als sonst im Gehirn – und dennoch erwies sich das Netzwerk als erstaunlich stabil.
Neuronale Kultur mit 80 Prozent hemmenden (rot) and 20 Prozent erregenden (grün) Neuronen. Der Anteil hemmender Neuronen ist vier Mal höher als sonst im Gehirn – und dennoch erwies sich das Netzwerk als erstaunlich stabil.
(Bild: Menahem Segal / Editing: Anna Levina)

Tübingen, Rehovot/Israel – Die Neuronen in unserem Gehirn sind über Synapsen miteinander verbunden und bilden kleine Funktionseinheiten, neuronale Schaltkreise. Dort gibt es erregende und hemmende Neuronen. Erregende Neuronen senden Informationen an ein zweites Neuron und veranlassen dieses, weitere Signale zu feuern bzw. im neuronalen Schaltkreis zu versenden. Hemmende Neuronen verringern hingegen die Wahrscheinlichkeit, dass mit ihnen verbundene Neuronen selbst Signale senden.

Das Zusammenspiel von Erregung und Hemmung ist entscheidend für die normale Funktionalität von neuronalen Netzwerken. Und es scheint eine sehr stabile Größe zu sein. Denn während der gesamten Lebenszeit eines Individuums bleibt der Anteil der hemmenden Neuronen an allen Neuronen in verschiedenen Hirnstrukturen konstant, bei 15 bis 30 Prozent. Wie wichtig ist dieser bestimmte Anteil aber für die Funktion des Gehirns? Diese Frage hat ein Forscherteam aus Tübingen und Israel untersucht.

Extreme Hirnkulturen im Labor untersucht

Die Forscher züchteten Kulturen, die unterschiedliche, sogar extreme Verhältnisse von erregenden und hemmenden Neuronen enthielten. Anschließend maßen sie die Aktivität dieser künstlich angelegten Hirngewebe. „Wir waren überrascht, dass Netzwerke mit verschiedenen Verhältnissen von erregenden und hemmenden Neuronen aktiv blieben, auch wenn diese Verhältnisse sehr weit von den natürlichen Bedingungen entfernt waren“, sagt Oleg Vinogradov, Doktorand am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik. „Ihre Aktivität ändert sich nicht dramatisch, solange der Anteil der hemmenden Neuronen irgendwo im Bereich von 10 bis zu 90 Prozent bleibt.“ Es scheint, dass die neuronalen Strukturen einen Weg haben, ihre ungewöhnliche Zusammensetzung zu kompensieren, um stabil und funktionell zu bleiben.

Verbindungsaufbau sichert das Gleichgewicht im Kopf

Doch mit welchem Mechanismus passt sich das Hirngewebe an diese unterschiedlichen Bedingungen an? Die Forscher vermuten basierend auf Modellrechnungen, dass die Neuronen-Netzwerke dazu die Anzahl der Verbindungen anpassen: Gibt es wenige hemmende Neuronen, müssen diese eine größere Rolle übernehmen, indem sie mehr Verbindungsstellen (Synapsen) mit den anderen Neuronen bilden. Umgekehrt gilt: Ist der Anteil der hemmenden Neuronen groß, müssen die erregenden Neuronen dies durch zusätzliche Verbindungen ausgleichen.

Mit dem theoretischen Modell der Tübinger Wissenschaftler lassen sich die experimentellen Befunde ihrer Kollegen im israelischen Rehovot erklären. Die Ergebnisse können das Verständnis dafür verbessern, wie das Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung in lebenden neuronalen Netzwerken erhalten bleibt und wo es versagt. Auf lange Sicht könnte dies für die Präzisionsmedizin nützlich sein: Aus normalen Körperzellen gewonnene Stammzellen könnten verwendet werden, um neuronale Kulturen zu generieren. Mit deren Hilfe ließen sich Mechanismen neuropsychiatrischer Störungen wie Epilepsie, Alzheimer und Autismus-Spektrum-Störungen untersuchen.

Originalpublikation: Nirit Sukenik, Oleg Vinogradov, Eyal Weinreb, Menahem Segal, Anna Levina, and Elisha Moses: Neuronal circuits overcome imbalance in excitation and inhibition by adjusting connection numbers. PNAS, March 23, 2021 118 (12) e2018459118; DOI: 10.1073/pnas.2018459118

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