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Originalveröffentlichung

Wolfgang Keil, Karl-Friedrich Schmidt, Siegrid Löwel and Matthias Kaschube
Reorganization of columnar architecture in the growing visual cortex

Komplexe Systeme . Neurobiologie

Wachsendes Gehirn ist besonders flexibel

Max-Planck-Wissenschaftler haben untersucht, wie sich das Gehirn während des Wachstums verändert

22. Juni 2010

Schon lange rätselt die Wissenschaft, warum das Gehirn bei Babys besonders flexibel ist und sich leicht verändert. Liegt es daran, dass Babys viel lernen müssen? Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Bernstein Netzwerks Computational Neuroscience, dem Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen, der Schiller-Universität Jena sowie der Princeton University (USA) schlagen nun eine neue Erklärung vor: Vielleicht liegt es einfach daran, dass das Gehirn noch wachsen muss. In einer Kombination von Experimenten, mathematischen Modellen und Computersimulationen zeigten sie, dass neuronale Verbindungen in der Sehrinde von Katzen während der Wachstumsphase umstrukturiert werden und dass sich dieser Umbau durch Selbstorganisationsprozesse erklären lässt. Geleitet wurde die Studie von Matthias Kaschube, ehemals Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und jetzt an der Princeton University (USA). (PNAS, online veröffentlicht 21. Juni 2010)
Computersimulation zur Entwicklung von Augendominanzkolumnen in einem einfachen Modell mit kortikalem Wachstum. Schwarze Bereiche entsprechen einer Präferenz für das linke Auge, weiße Bereiche einer Präferenz für das rechte Auge. Das anfängliche Streifenmuster löst sich nach dem Wachstum langsam in ein Zickzack-Muster auf. Eine ähnliche Umordnung zeigen auch die experimentellen Untersuchungen an der Sehrinde der Katze. Bild vergrößern
Computersimulation zur Entwicklung von Augendominanzkolumnen in einem einfachen Modell mit kortikalem Wachstum. Schwarze Bereiche entsprechen einer Präferenz für das linke Auge, weiße Bereiche einer Präferenz für das rechte Auge. Das anfängliche Streifenmuster löst sich nach dem Wachstum langsam in ein Zickzack-Muster auf. Eine ähnliche Umordnung zeigen auch die experimentellen Untersuchungen an der Sehrinde der Katze. [weniger]

Das Gehirn ändert sich ständig. Neuronale Strukturen sind nicht fest verdrahtet, sondern werden mit jedem Lernen und jeder Erfahrung abgewandelt. Besonders flexibel aber sind bestimmte Gehirnbereiche bei neugeborenen Babys. Die Entwicklung der Sehrinde kann in Tierexperimenten beispielsweise in den ersten Monaten nach der Geburt durch unterschiedliche visuelle Reize stark beeinflusst werden.

Nervenzellen in der Sehrinde von erwachsenen Tieren teilen sich die Verarbeitung von Informationen aus den beiden Augen auf: Einige "sehen" nur das linke Auge, andere nur das rechte. Dabei liegen Zellen rechter bzw. linker Spezialisierung jeweils in kleinen Gruppen beieinander, genannt Kolumnen. Beim Größenwachstum, so zeigten die Forscher, werden diese Strukturen nicht einfach aufgebläht - Kolumnen werden nicht größer, sondern es werden mehr. Auch entstehen nicht etwa neue Kolumnen aus neuen Nervenzellen. Die Anzahl der Nervenzellen bleibt nahezu unverändert, ein Großteil des Wachstums der Sehrinde ist auf einen Zuwachs nicht-neuronaler Zellen zurückzuführen. Erklären lassen sich diese Veränderungen damit, dass vorhandene Zellen ihre Präferenz für das rechte oder linke Auge ändern. Zudem spricht noch eine weitere Beobachtung der Wissenschaftler für eine solche Umstrukturierung: Die Anordnung der Kolumnen ändert sich. Während das Muster anfangs streifig aussieht, lösen sich die Streifen mit der Zeit auf und das Muster wird ungleichmäßiger.

"Eine solche Umstrukturierung bei gleichzeitiger Funktionsfähigkeit ist eine enorme Leistung des Gehirns", sagt Wolfgang Keil, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation Göttingen und Erstautor der Studie. "Es steht kein Ingenieur dahinter, der sie plant, sondern der Prozess muss aus sich selbst heraus entstehen." Wie das Gehirn bei dieser Umstrukturierung vorgehen könnte, untersuchten die Wissenschaftler in mathematischen Modellen und Computersimulationen. Einerseits ist das Gehirn bestrebt, Nachbarschaftsverhältnisse in der Sehrinde möglichst einheitlich zu gestalten. Andererseits aber wird die Entwicklung der Sehrinde durch den Sehprozess selbst bestimmt - Zellen, die einmal stärker vom linken bzw. von rechten Auge angeregt werden, versuchen, diese jeweilige Bestimmung beizubehalten. Das Modell der Wissenschaftler erklärt die Kolumnenentstehung unter Berücksichtigung dieser beiden Tendenzen. Wenn das Gewebe wächst und die Kolumnengröße konstant gehalten wird, so zeigten die Wissenschaftler, verändern sich die Kolumnen im Computermodell genau so, wie sie dies in ihren experimentellen Untersuchungen an der Sehrinde der Katze beobachtet hatten: Die Streifen lösen sich in ein Zickzack-Muster auf und werden dadurch unregelmäßiger. Damit liefern die Forscher eine mathematische Grundlage, die realistisch beschreibt, wie sich die Sehrinde während der Wachstumsphase umbauen könnte.

 
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