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Die Präzisionsarbeit von neuronalen Netzwerken

Kategorie: Bildung und Forschung | Eingetragen am 6. Mai 2009 um 19:00 Uhr

Basler Forschern gelingt ein wichtiger Einblick in die Entwicklung von neuronalen Netzwerken. Silvia Arber und ihr Team vom Biozentrum der Universität Basel und Friedrich Miescher Institut (FMI) konnten zeigen, dass die hohe Genauigkeit, mit der sich neuronale Netzwerke im Rückenmark verknüpfen, durch spezifische Oberflächenmoleküle gesteuert wird. Die Resultate sind in der neuesten Ausgabe von Nature publiziert.

Für Das menschliche Nervensystem besteht aus Millionen von unterschiedlichen Nervenzellen, den Neuronen. Damit diese richtig funktionieren, müssen sie einem präzisen Muster folgend miteinander verbunden werden. Die Kontaktstellen zwischen zwei Neuronen werden als Synapsen bezeichnet. So wie eine Ampel den Verkehrsfluss in eine gezielte Richtung regelt, ist es die Platzierung der Synapsen zwischen den Neuronen, die bestimmt, wie die Informationen durch das Nervensystem fliessen. Erst dann kann der Körper als Reaktion darauf die entsprechende Bewegung ausführen. Die Wissenschaft vermutet, dass die präzisen Verknüpfungsmuster zwischen den Nervenzellen während der Entwicklung entstehen. Die Steuerungsmechanismen, die dieser Präzisionsarbeit zugrunde liegen, waren bis jetzt unbekannt. Unklar ist vor allem, warum bestimmte Nervenzellen miteinander Synapsen bilden, und andere nicht. Die in der Fachzeitschrift Nature publizierte Studie von Silvia Arber und ihrer Forschungsgruppe liefert einen wichtigen Anhaltspunkt darüber, wie Synapsen im Nervensystem präzise angelegt werden.

Motoneuronen steuern Bewegung
In Zentrum der Forschung von Silvia Arber und ihrer Gruppe steht die Funktionsweise von neuronalen Netzwerken, die für die Kontrolle von Bewegungsabläufen zuständig sind. Bewegungen werden von sogenannten Motoneuronen ausgelöst. Diese sitzen im Rückenmark und senden Befehle an die Muskeln, damit sie sich zusammenzuziehen. Dabei steuert jeweils eine bestimmte Gruppe von Motoneuronen einen Muskel an. Motoneuronen werden aktiviert, indem Synapsen im Rückenmark stimuliert werden. Ein solcher Reiz wird von den Muskeln über den so genannten Reflexbogen zurück ins Rückenmark geleitet. Dieser Schaltkreis dient dazu, den Motoneuronen ständig Rückmeldungen über den Stand der Muskelkontraktion zu signalisieren. Silvia Arber und ihr Team untersuchen, wie die Präzision der Verknüpfungen im Reflexbogen entsteht.

Spezifische Verknüpfungen durch Oberflächenmoleküle

Die Basler Forscher zeigen in ihrer Studie, dass spezifische Zelloberflächen-Moleküle auf Motoneuronen bestimmen, ob und in welcher Art synaptischen Kontakte entstehen können. Die Rezeptoren, die diese Moleküle erkennen, sind auf den entsprechenden sensorischen Nervenzellen des Reflexbogens lokalisiert. Demnach bestimmt das Muster dieser zwei interagierenden Moleküle, ob und in welcher Art synaptische Kontakte im Reflexbogen gebildet werden können. Verändert man diese Kodierung, kommt es zu falschen Verbindungen. Im studierten Fallbeispiel geschieht diese Regulation über einen 2 Abstossungsmechanismus. Analog zum Beispiel mit der Ampel bedeutet dies, dass beim Umschalten auf Rot, die synaptischen Kontakte zwischen zwei Nervenzellen verhindert werden und dadurch der Informationsfluss in eine andere Richtung gelenkt wird.

Synapsen leisten Präzisionsarbeit
Die neuen Erkenntnisse der Basler Wissenschaftler geben wichtigen Aufschluss darüber, wie es dem Körper gelingt, synaptische Verbindungen mit Präzision zu bilden. Sie bieten damit einen wichtigen Ansatzpunkt zum Verständnis darüber, wie sich Millionen unterschiedlicher Nervenzellen während ihrer Entwicklung zu hochkomplexen Netzwerken zusammenschliessen können. Damit das Nervensystem korrekt funktioniert, muss dieser Prozess fehlerfrei ablaufen. Eine Fehlschaltung kann – wie am Beispiel der Verkehrsampel – tragische Konsequenzen haben.

Quelle: Universität Basel



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