Ansprechpartner

Dr. Hermann Cuntz
Telefon:+49 69 96769-540
profile_image
Dr. Arjan Vink
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Telefon:+49 69 850033-2900Fax:+49 69 850033-2999

Originalpublikation

Marvin Weigand, Fabio Sartori, and Hermann Cuntz
Universal transition from unstructured to structured neural maps
DOI

Verwandte Artikel

Das Gehirn nutzt keine zufälligen, sondern vermutlich selbstorganisierte Netzwerke zur visuellen Informationsverarbeitung

Kein Kabelsalat im Gehirn

23. November 2015

Das Gehirn nutzt keine zufälligen, sondern vermutlich selbstorganisierte Netzwerke zur visuellen Informationsverarbeitung [mehr]
Ein mathematisches Modell erklärt, wie Neuronen ihre Aktivität aufeinander abstimmen

Nervenzellen achten auf ihre Nachbarn

5. Februar 2010

Ein mathematisches Modell erklärt, wie Neuronen ihre Aktivität aufeinander abstimmen [mehr]

Neurobiologie

Zellzahl bestimmt Struktur neuronaler Karten

Frankfurter Forscher finden eine einfache Erklärung für die typischen Muster von Nervenzellen innerhalb neuronaler Karten

12. Mai 2017

Das menschliche Gehirn besteht aus einem hochkomplexen Netzwerk von etwa 85 Milliarden Nervenzellen, die ständig Informationen untereinander austauschen. Damit das komplexe Netzwerk effizient arbeiten kann, ist es wichtig, dass die Wege zwischen Neuronen, die ähnliche Eigenschaften haben oder vergleichbare Signale kodieren, möglichst kurz bleiben. Im Sehsystem des Menschen und vieler anderer Säuger gruppieren sich Nervenzellen tatsächlich zusammen, die auf ähnlich orientierte Streifenmuster bevorzugt reagieren. Interessanterweise kann man solch eine stark geordnete Struktur bei Nagetieren nicht wiederfinden. Mit zwei Computermodellen haben nun Wissenschaftler des Frankfurt Institute for Advanced Studies, des Max-Planck-Institutes für Hirnforschung und des Ernst-Strüngmann-Instituts untersucht, warum die Struktur bei den Tierarten so unterschiedlich ist. Erstaunlicherweise fanden die Wissenschaftler, dass die die Struktur neuronaler Karten nicht nur durch das Verschaltungsmuster, sondern auch durch die Gesamtanzahl der Nervenzellen bestimmt wird.
Die neuronalen Karten in der primären Sehrinde werden bei unterschiedlichen Säugetierarten mit zunehmender Zellzahl komplexer. Die Punkte der Grafik symbolisieren einzelne Nervenzellen, die Farben repräsentieren jeweils unterschiedliche Eigenschaften. In Gehirnen mit mehr Nervenzellen sind Zellen mit ähnlichen Eigenschaften zusammen angeordnet. Bild vergrößern
Die neuronalen Karten in der primären Sehrinde werden bei unterschiedlichen Säugetierarten mit zunehmender Zellzahl komplexer. Die Punkte der Grafik symbolisieren einzelne Nervenzellen, die Farben repräsentieren jeweils unterschiedliche Eigenschaften. In Gehirnen mit mehr Nervenzellen sind Zellen mit ähnlichen Eigenschaften zusammen angeordnet. [weniger]

In unserem Gehirn gibt es abgrenzbare Regionen, die für verschiedene Aufgaben zuständig sind. Innerhalb dieser Regionen liegen Nervenzellen, die ähnliche Aufgaben haben, sogar auch räumlich benachbart zueinander. Zwischen diesen Neuronen gibt es besonders viele Verbindungen, die die Kommunikation zwischen den Zellen ermöglichen. Befinden sich nun ähnliche Zellen in enger Nachbarschaft, spart das Wege – unser Gehirn wird schneller und effektiver. Ein prominentes Beispiel für solche neuronalen Karten ist die Anordnung von Nervenzellen mit ähnlichen Orientierungspräferenzen. Diese Nervenzellen liegen im Sehsystem des Gehirns und erkennen, welche Orientierung einzelne Objekte im Bereich unseres Blickfelds besitzen (vertikal, horizontal, diagonal, etc.). Die farbige Visualisierung dieser Orientierungspräferenzen auf der Oberfläche des Gehirns führt zu Mustern, die aufgrund ihrer Ähnlichkeit zu Windrädern als „Pinwheels“ bezeichnet werden. Interessanterweise existieren diese „Pinwheels“ bei vielen verschiedenen Säugetierarten, aber nicht bei Nagern, die stattdessen eine unstrukturierte neuronale Karte besitzen.

Neurowissenschaftler haben deshalb lange spekuliert, ob sich das Verschaltungsmuster von Nagern von dem Muster anderer Säugetiere unterscheidet. Die Frankfurter Forschergruppe um Hermann Cuntz hat jetzt mit zwei von Grund auf verschiedenen Modellen gezeigt, dass die Struktur neuronaler Karten neben dem Verschaltungsmuster auch durch die Anzahl der Nervenzellen bestimmt ist. Damit ergibt sich eine einfache Begründung für die verschiedenen Strukturen. Verglichen mit anderen Säugetierarten besitzen Nager, wie z.B. Mäuse oder Ratten, aufgrund ihrer Körpergröße und der verhältnismäßig geringen Dichte von Nervenzellen auch weniger Nervenzellen.

Mehr Nervenzellen, mehr Struktur

Die Modelle zeigen, dass es mit größer werdender Zellzahl zu einem Übergang von einer unstrukturierten zu einer strukturierten neuronalen Karte kommt. Neben einem schnellen Übergang von einer unstrukturierten zu einer strukturierten neuronalen Karte werden die Karten mit steigender Neuronenzahl immer strukturierter. So ist die neuronale Karte im visuellen Kortex von Frettchen oder Spitzhörnchen weniger strukturiert als nah verwandte Arten mit mehr Nervenzellen im visuellen System. „Der scheinbare Unterschied in den neuronalen Karten des Sehsystems von Nagern könnte also allein durch die kleinere Zahl von Nervenzellen in den untersuchten Spezies bedingt sein – einen Unterschied im Verschaltungsmuster gäbe es demnach nicht unbedingt“, erklärt Erstautor Marvin Weigand. Folglich könnten die größten Vertreter unter den Nagetieren, die in Südamerika lebenden Capybaras, solche „Pinwheels“ besitzen.

Um die Abhängigkeit der Strukturiertheit neuronaler Karten von der Anzahl pro relevanter Verbindungen pro Neuron zu zeigen, hat die Forschergruppe zwei Modelle aus anderen Wissenschaftsbereichen für ihre Zwecke umgewandelt. Das erste Modell basiert hauptsächlich auf multidimensionaler Skalierung. Diese numerische Methode sortiert Objekte räumlich nach ihrer Ähnlichkeit, in diesem Fall die Ähnlichkeit der Verschaltung von Nervenzellen. Zusätzlich haben die Frankfurter Wissenschaftler das XY-Modell zur Untersuchung der Fragestellung modifiziert. Das ursprünglich aus der statistischen Physik kommende Modell wurde z.B. auch zur Untersuchung exotischer Materiezustände von David J. Thouless und J. Michael Kosterlitz eingesetzt, die hierfür den letztjährigen Nobelpreis für Physik erhalten haben. Die Vorhersagen der Modelle gelten allgemein für alle möglichen neuronalen Karten und könnten es erlauben, das Verhältnis zwischen Neuronenanzahl und der Anzahl kodierter Eigenschaften im Gehirn besser zu verstehen.

AV, PT/HR

 
loading content