uni'wissen 02-2012

Wie das Gehirn mit seinen Nervenzellen Infor- mationen präsentiert, bearbeitet und weiter- leitet, ist bislang weitgehend ein Geheimnis, das Neurowissenschaftlerinnen und Neurowissen- schaftler gerne lüften würden. „Wir wissen, dass die Neuronen miteinander in der ihnen eigenen Art der Kommunikation reden“, sagt Prof. Dr. Ulrich Egert vom Lehrstuhl für Biomikrotechnik an der Technischen Fakultät der Universität Frei- burg, „aber wir haben leider kaum Informationen, worüber sie sprechen.“ Egert ist Ko-Sprecher des neuen Exzellenzclusters BrainLinks-Brain- Tools. In dem Zentrum für Neurotechnologie an der Albert-Ludwigs-Universität erforschen Wissen- schaftler aus der Biologie, Medizin, Mikrosys- temtechnik und Informatik die Funktion des menschlichen Gehirns und entwickeln Systeme, die direkt mit ihm kommunizieren: Schnittstellen, die Patientinnen und Patienten ermöglichen, über ihr Nervensystem technische Geräte zu steuern, sowie Implantate, die sich selbst mit Energie versorgen, krankheitsbedingte Verände- rungen in der Hirnaktivität erkennen und diesen entgegenwirken. Viele Einflüsse wirken zusammen Was die annähernd 100 Milliarden Nervenzellen eines menschlichen Gehirns gemeinsam haben, ist die meist gut beschriebene Dynamik ihrer individuellen Aktivität. Sie beruht auf Verände- rungen der elektrischen Spannung über der Zell- membran, die einen Nervenimpuls erzeugt, der auch als Aktionspotenzial oder als Spike bezeich- net wird. Schwierig werde es, von der Biophysik der einzelnen Zelle, die relativ gut verstanden sei, auf Netzwerke in verschiedenen räumlichen Ebenen umzusteigen, sagt Egert. „Wir können mit Elektroden die Spikes einzelner Neurone messen, aber wir sehen nicht, was Netzwerke daraus machen.“ Drei Zellen wären schon ein kleines Netzwerk, und das nächstgrößere „Wir wissen, dass die Neuronen miteinander in der ihnen eigenen Art der Kommunikation reden, aber wir haben leider kaum Informationen, worüber sie sprechen“ bestünde aus vielleicht 300 Nervenzellen. Bei drei Zellen ist die Reizweiterleitung über die so genannten Axone, kabelartige Leitungssysteme, zu den Synapsen, den Übertragungsspalten zwi- schen einzelnen Neuronen, noch überschaubar. Zum Bedauern der Neurowissenschaftler lassen sich jedoch aus dem Verhalten der kleinen Netz- werke kaum Informationen zu der Frage ableiten, wie sich ein weitaus größeres Netzwerk verhalten würde. Im Gehirn können 10.000 Synapsen auf eine Pyramidenzelle, die in der Großhirnrinde am häufigsten vorkommende Nervenzellart, kommen. Das heißt, der Einfluss einer Nervenzelle auf die nächste ist ein ganz anderer als in einem Dreier- netzwerk, in dem es nur die Verbindung zu zwei weiteren Einzelzellen gibt. „Die einzelne Zelle verhält sich in diesem großen Verbund völlig anders“, sagt Egert. „Je größer er wird, desto weniger darf ich davon ausgehen, dass alle Zellen sich gleich verhalten.“ Unterschiedliche Zell typen kommen ins Spiel. Die einen sind hemmend, die anderen erregend, mit vielen Untertypen. Eingehende Impulse von außen, von der Hirnrinde, von anderen Teilen des Gehirns und lokale Rückkopplungen machen das System immer komplizierter. Die nachgeschaltete Zelle übersetzt außerdem den Spike in ein Stromsignal, das jedoch völlig anders ausschaut als das Aktions- potenzial der Ursprungszelle. Aus der Form des Spikes lassen sich daher kaum Erkenntnisse gewinnen „Auf was es dann ankommt, ist die zeitliche Abfolge der Spikes“, sagt Egert. „Ich brauche also ein Gerät, das misst, welche Zelle wann gefeuert hat.“ Wissenschaftler begegnen dieser Heraus forderung, indem sie das Ganze zunächst auf kleinere Einheiten herunterbrechen. Ein Ansatz besteht darin, die elektrophysiologische Aktivi- tät, also die Aktivität der Aktionspotenziale, in 5

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