Das Gehirn an der Grenze zum Chaos

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Text von: redaktion

Wissenschaftler des Bernstein Center for Computational Neuroscience, des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation und der Uni Göttingen haben nun gezeigt, dass die Signalweitergabe im Gehirn ebenfalls den Prinzipien selbstorganisierter Kritikalität folgt.

Viele Systeme in der Natur steuern von selbst auf einen kritischen Zustand zu, der als höchst instabiles Gleichgewicht charakterisiert werden kann: kleine Störungen können nahezu beliebig große Folgen haben. Die Entstehung von Erdbeben oder von Lawinen auf einem Sandhaufen sind klassische Beispiele einer solchen „selbstorganisierten Kritikalität“, wie das Phänomen in der Fachwelt heißt.

In ihrer neuen Studie haben die Wissenschaftler aus Göttingen selbstorganisierte Kritikalität eines Netzwerks im Computer zum ersten Mal realitätsnah modelliert und erklärt. Dies ist gelungen, indem sie berücksichtigten, dass sich die Verbindungsstärke zwischen Neuronen durch die wiederholte neuronale Aktivität abschwächt.

Neurone leiten Informationen in Form von elektrischen Signalen weiter. Dort, wo zwei Neurone aufeinander treffen, an der Synapse, ist aber die Leitung unterbrochen und das Signal wird durch Botenstoffe von einer Zelle zur nächsten übertragen. „Der Vorrat an Botenstoffen wird durch die Aktivität der Synapse reduziert, so dass

die Stärke der Signalübertragung abnimmt. Erst dadurch, dass der Speicher wieder aufgefüllt wird, nimmt die Effizienz der Synapse wieder zu“, erklärt Wissenschaftlerin Anna Levina.

Lange Zeit hat man in dieser Erschöpfung des Vorratsspeichers nichts weiter als eine biologisch bedingte Unzulänglichkeit gesehen. Erst in den letzten Jahren wurde erkannt, dass dieser Mechanismus – synaptische Depression genannt – für die Funktion des Gehirns durchaus bedeutend ist. Die Forscher um Prof. Geisel haben nun erstmals gezeigt, dass dieser synaptische Anpassungsmechanismus das neuronale Netz in den Zustand selbstorganisierter Kritikalität an der Grenze zum Chaos treibt.