Unser Gehirn - die Nervenzellen können 10 mal schneller arbeiten als erwartet

Die Nervenzellen des Gehirns können Signalreize viel schneller austauschen, als bisher angenommen. Einer der wichtigsten Faktoren für die schnelle Informationsverarbeitung im Gehirn ist die Geschwindigkeit, mit der Nervenzellen interagieren. Doch wie schnell funktioniert dies? Neurophysiologen der Universität Leipzig haben nun ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sie Aktionspotenziale vor und hinter einer Kontaktstelle von zwei Nervenzellen messen können. Ihre Ergebnisse wurden im Fachblatt "Neuron" veröffentlicht.

Das Gehirn ist schneller und somit leistungsfähiger als bisher vermutet
Zusätzlich zu ihrer großen Anzahl und hohen Vernetzung ticken Nervenzellen im Gehirn enorm schnell. Das menschliche Gehirn verfügt über etwa 100 Milliarden Nervenzellen, jede davon ist durchschnittlich mit tausend anderen verbunden. Diese immense Parallelität allein führt schon zu Beschleunigung. Damit aber nicht genug, zusätzlich feuert jede Nervenzelle ihre elektrischen Signalreize auch noch mit enormer Geschwindigkeit an ihre Nachbarzellen weiter. Die Forscher sprechen dabei von Aktionspotenzialen.

10 mal schneller!
Bisher galt die Einheit von 100 Hertz als Standard. Das Leipziger Team hat nun aber sogar 1.000 Hertz gemessen.

"Im Experiment haben wir die Höchstleistung künstlich geschaffen, indem wir die Zellen bei maximaler Stimulation bis an ihre Leistungsgrenze führten", sagt Stefan Hallermann, Leiter der Studie. "Aber die Tatsache, dass die Zellen so schnell feuern können, spricht für mich dafür, dass das Potenzial auch genutzt wird." Mehr als die Frequenz habe jedoch überrascht, dass die Aktionspotenziale in der Zelle so kurz, also ultraschnell, sind.

Aktionspotenziale mit neuer Methode gemessen
Zudem gelang den Forschern eine wichtige methodische Weiterentwicklung: Um feststellen zu können, wie die Aktionspotenziale zur nächsten Zelle übertragen werden, entwickelten sie ein Messverfahren an den Kontaktstellen von zwei Nervenzellen (Synapsen). Bei der sogenannten "patch-clamp-Technik" werden winzige Glaspipetten mit einem Durchmesser von einem Mikrometer an die Zellen herangefahren, um ihre elektrischen Signale zu messen.

Spezielle Mikrotechnik ist nötig
Die Herausforderung bei dieser Messmethode ist, eine solche Pipette auf die feinen Enden (Axone oder auch präsynaptischen Endigungen) sowie gleichzeitig eine zweite Pipette auf den Zellkörper der empfangenden Zelle zu positionieren. Um diese präsynaptischen Endigungen besser finden zu können, färbten die Forscher sie fluoreszierend ein. Es gibt nur wenige Stellen im Gehirn, an denen derartige Messungen möglich sind, weshalb die neue Messmethode einen technischer Durchbruch darstellt.
Quelle: Neuron, PubMed "Ultrafast Action Potentials Mediate Kilohertz Signaling at a Central Synapse".
Link: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25220814
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