Mit Genauigkeit bis jetzt unbekannt, Forscher aus dem Max Planck Institut für Dynamik und Selbstorganisation und des Bernstein Center for Computational Neuroscience in G? Göttingen zusammen mit der Neurophysiologe Maxim Volgushev von der Ruhr-Universit? T Bochum haben analysiert, durch die Regeln, die Nervenzellen in der Hirnrinde beschließen, senden Impulse. Sie überraschend gefunden, dass die hohe Flexibilität und Geschwindigkeit, mit der diese Zellen arbeiten lässt sich nicht mit dem gegenwärtigen, zentralen Modell der Neurophysiologie, dem Hodgkin-Huxley-Modell. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Natrium-Kanäle, die offen in der Zelle Membranen während eines Nerven-Impuls, nicht funktionieren unabhängig voneinander, wie bisher angenommen, sondern unterstützen sich gegenseitig bei der Eröffnung Prozess. Diese neue Art von Mechanismus erscheint, um die Zellen übermittelt rasch wandelnden Signale und langsame Signale zu unterdrücken.
(Nature, Volume 440, Number 7087, 2006)
Jede lebende Zelle hält eine Spannung Unterschied in ihrer Zellmembran. Nervenzellen zeichnen sich aus anderen Zellen, dass sie mit dieser Spannung Unterschied zu verarbeiten und übermitteln Nachrichten. Wenn eine Nervenzelle einen Impuls erhält, die Spannung über der Zellmembran ist umgekehrt. Dieses "Aktionspotential" breitet sich durch die lange Anhängsel der Zelle mit hoher Geschwindigkeit. Am Ende des Anhängsel der Übertragung auf andere Zellen. In 1952, Alan Lloyd Hodgkin und Andrew Fielding Huxley beschrieb in einem mathematischen Modell, wie ein solches Aktionspotential entsteht auf der Grundlage von Messungen an Neuronen des squid. Das Hodgkin-Huxley-Modell, für das die Wissenschaftler später mit dem Nobelpreis, hat seitdem serviert zu erklären, das Signal Prozesse in allen Neuronen.
Nach dem Hodgkin-Huxley-Modell, ein Aktionspotential wird eingeleitet, wenn die Spannung über der Membran der Nervenzelle bis zu einem gewissen Schwellenwert. Spannung gated Natriumkanäle reagieren auf diese Spannung Änderung durch die Öffnung und Auslösung einer Lawine-ähnliche Reaktion. Positiv geladenen Natrium-Ionen fließen durch die offene Kanäle in die Zelle, was zu einem weiteren Anstieg der Membran Potenzial und die Eröffnung zusätzlicher Natrium-Kanäle. Die Schwelle und die Geschwindigkeit, mit der das Aktionspotential entsteht variieren von Zelle zu Zelle - für jede einzelne Zelle jedoch, diese Parameter sind zum größten Teil durch die Eigenschaften ihrer Natriumkanäle.
Ein interdisziplinäres Team von Physikern und Neurophysiologen vom Max Planck Institut für Dynamik und Self-Organization in G? Göttingen und der Ruhr-Universit? T Bochum hat nun näher die Geschwindigkeit und die Schwelle von Maßnahmen Potenziale in Nervenzellen der Großhirnrinde von der Säugetier Gehirn. Sie konnten zeigen, dass Maßnahmen Potenziale sind eingeleitet extrem schnelle hier. Obwohl ein einzelnes Aktionspotential dauert eine Millisekunde, einen stärkeren Zustrom von Natrium bereits in in den ersten 200 Mikrosekunden ein. Die Natriumkanäle scheinen zu öffnen fast gleichzeitig, so dass die Natrium-Ionen können in die Zellen sehr schnell und in großen Mengen. Gleichzeitig ist jedoch, die Forscher in ihren Messungen, dass die Schwellenwerte, bei der die Potenziale wurden Maßnahmen eingeleitet wurden sehr variabel.
Um zu verstehen, was Ursachen dieses ungewöhnliche Verhalten, die Wissenschaftler versucht, wieder das Verhalten der Zellen in Computersimulationen des Hodgkin-Huxley-Typ-Modelle. Zu ihrer Überraschung stellte sich heraus, dass eine hohe Variabilität beim Schwellenwert und ein rasches Einsetzen der Maßnahme Potenzial kann nicht vereinheitlicht werden in diesem Modell. Beide Eigenschaften verhalten sich wie beide Seiten einer Wippe. Um eine hohe Variabilität beim Schwellenwert, das Modell erfordert eine niedrige Drehzahl über die Einleitung der Maßnahme Potenzial. Ein rascher Wirkeintritt ist nur erzielbar, wenn die Variabilität des Schwellenwerts gering ist.
Um die beobachteten Verhalten der Nervenzellen in Computer-Simulationen, Wolf und seine Kollegen postuliert einen neuen Mechanismus, der erklärt, wie die Natrium-Kanäle nicht immer auf den gleichen Schwellenwert, aber dennoch fast gleichzeitig öffnen. Wenn ein Natrium-Kanal öffnet sich, es Einflüsse, nach dem neuen Modell andere Natriumkanäle in der direkten Nachbarschaft - die Kanäle öffnen "kooperativ" und nicht - wie nach Hodgkin-Huxley - unabhängig voneinander und nur abhängig von der Spannung über die Membran. Um diese Hypothese, die Wissenschaftler einen Trick: Wenn es möglich wäre, messbar, den kooperativen Mechanismus, dann wäre dies ein gutes Argument für seine Existenz. Sie erreicht dies durch die Sperrung ein Teil der Natrium-Kanäle mit den Nerven Gift tetrodoxin, so dass die Kanäle, die noch funktionierten, so lag verstreut in der Membran, dass sie nicht in der Lage zu kooperieren.
Darüber hinaus, die Forscher konnten zeigen, dass die Zellen wahrscheinlich dieses neuen Mechanismus zu unterscheiden zwischen der empfangenen Signale und einzige Antwort auf bestimmte werden. Fasst Bjoern Naundorf die Ergebnisse,? Die Zellen funktionieren wie ein High-Pass-Filter; schnelle Signale werden gut, langsame Signale werden unterdrückt. "Beide Aspekte über die Einleitung der Maßnahmen Potenzial unterschiedliche Rollen einnehmen. Die große Variabilität des Schwellenwerts Potenziale erlaubt die Zellen zu ignorieren langsam unterschiedlichen Reizen. Die Zellen kontinuierlich zu steigern ihre Schwelle, so dass in vielen Fällen kein Impuls wird auf allen. Die schnelle Aktivierung von Maßnahmen Potenziale, auf der anderen Seite, hilft den Zellen zur Übertragung von sich schnell verändernden Signale, auch mit hoher Präzision. Nach dem Hodgkin-Huxley-Modell, die Zellen würden nicht über die Fähigkeit, dies zu tun.
"Viele Wissenschaftler - uns eingeschlossen - sahen das Hodgkin-Huxley-Modell bislang nicht mehr als eine Hypothese, sondern glaubten, dass es wurde hauptsächlich für alle Neuronen", sagt Fred Wolf, der die Studie am Max Planck Institut für Dynamik und Self-Organization in G? Göttingen. Er und seine Kollegen haben nun gezeigt, dass dem nicht so ist. Die bessere kognitive Fähigkeit von höheren Tieren, wie Katzen oder Menschen im Vergleich zu squid oder Schnecken, ist nicht nur zurückzuführen auf die höhere Zahl der Neurone in den Gehirnen dieser Tiere, sondern auch die Art, wie die Neurone Signale Prozess. Gehen Sie dazu, diese Tiere vermutlich höhere Nutzung der molekularen Mechanismen, die niederen Tieren nicht besitzen.
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Artikel angepasst von Medical News Today aus Original-Pressetext.
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Kontakt: Dr. Fred Wolf
Max-Planck-Gesellschaft