gehirn
Nervenzellen sind ständig mit komplexen Berechnungen beschäftigt, die für Funktionen wie die Lokalisierung eines Geräuschs im Raum oder die Bestimmung der Richtung einer Bewegung erforderlich sind. Einzelne Zellen müssen dazu zwei Impulse multiplizieren. Viele Jahre lang war unklar, wie ein solcher Rechenprozess wirklich funktioniert. Eine Art von Nervenzellen in der Fruchtfliege ist in der Lage, zwei Eingangssignale miteinander zu multiplizieren. Dies ist das Ergebnis eines biophysikalischen Mechanismus, den Forscher des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz in Gründung (i.G.) aufgedeckt haben. Dies eröffnet neue Perspektiven auf die Rechenleistung einzelner Nervenzellen, die eine Vielzahl von Gehirnfunktionen ermöglicht.

Wir können Dinge und ihre Bewegungsrichtungen schnell erkennen. Die Netzhaut unseres Auges nimmt lokale Schwankungen der Lichtintensität wahr, die das Gehirn zur Berechnung dieser Informationen nutzt. Einzelne Nervenzellen werden in der Mathematik, die ihnen zugrunde liegt, verwendet. Was bedeutet es aber, wenn Nervenzellen rechnen? Jede Nervenzelle in einem Netzwerk miteinander verbundener Zellen muss aus jedem Eingangssignal ein Ausgangssignal berechnen. Neurobiologen bezeichnen Erregung und Hemmung als Eingänge, die das Ausgangssignal verstärken bzw. verringern.

Modelle legen nahe, dass das Bewegungssehen die Multiplikation zweier Signale erfordert, aber bis vor kurzem war unklar, wie genau solche Berechnungsprozesse auf der Ebene der Nervenzelle ablaufen. Nun ist es einem Team aus der Abteilung von Alexander Borst am Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz i.G. gelungen, dieses Rätsel anhand einer bestimmten Art von Nervenzelle zu lösen.

Forschung konzentriert sich auf T4 Zellen

Aus diesem Grund konzentrierten sich die Forscher auf die so genannten T4-Zellen im Sehsystem der Fruchtfliege. Diese Nervenzellen reagieren nur, wenn sich etwas in die gewünschte Richtung bewegt. Den beiden Erstautoren Jonatan Malis und Lukas Groschner gelang es erstmals, die Ein- und Ausgangssignale der T4-Zellen zu messen. Dazu spielten die Neurobiologen den Fliegen visuelle Reize auf einem kleinen Bildschirm vor und zeichneten gleichzeitig die elektrische Aktivität im Fliegenhirn auf. Die erfolgreichen Messungen markierten einen methodischen Wendepunkt, da die T4-Zellen zu den kleinsten Nervenzellen überhaupt gehören.

Die Beobachtungen zeigten zusammen mit Computermodellen, dass die T4-Zellen ständig in ihrer Aktivität gehemmt oder unterdrückt werden. Die Hemmung wird nur kurzzeitig durch die Bewegung der visuellen Reize unterbrochen. Ein ankommendes erregendes Signal wird während dieser Zeitspanne vergrößert; theoretisch ist eine kontinuierliche Hemmung mit einer Teilung vergleichbar, während eine Verringerung der Hemmung einer Vermehrung gleichkommt. – Lukas Groschner sagt: „Wir haben eine einfache Erklärung für eine komplizierte Berechnung gefunden, die in einer einzigen Nervenzelle durchgeführt wird. – Die umgekehrte Operation der Division ist die Multiplikation. Laut Jonatan Malis scheinen die Nervenzellen von dieser Wechselwirkung zu profitieren.

Mathematik beeinflusst die Verhaltensweise

Ein bestimmtes Rezeptormolekül auf der Oberfläche von T4-Zellen ist für deren Fähigkeit zur Vermehrung verantwortlich. – Mitautorin Birte Zuidinga, die das Navigationsverhalten von Fruchtfliegen in einer virtuellen Umgebung untersuchte, fügt hinzu, dass Tiere ohne diesen Rezeptor Bewegungen falsch wahrnehmen und nicht in der Lage sind, ihre Route in Verhaltensversuchen beizubehalten. Dies zeigt, wie wichtig diese Art der Datenverarbeitung für das Verständnis des Verhaltens von Tieren ist. – Alexander Borst zufolge war unser Wissen über die grundlegende Algebra der Neuronen bis vor kurzem unglaublich lückenhaft. – Dank des relativ rudimentären Gehirns der Fruchtfliege konnten wir jedoch neue Erkenntnisse über ein bisher rätselhaftes Problem gewinnen. Die Forscher stellen die Hypothese auf, dass vergleichbare neuronale Berechnungen Funktionen wie Richtungshören, Aufmerksamkeit und Selbstorientierung zugrunde liegen.

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