Februar 25, 2024

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Zelluläre elektrische Kopplung: Elektrische Felder regulieren die Gehirnfunktion

Zelluläre elektrische Kopplung: Elektrische Felder regulieren die Gehirnfunktion

Zusammenfassung: Die Wissenschaftler stellten eine Hypothese namens „Zell-elektrische Kopplung“ auf, wonach elektrische Felder im Gehirn Komponenten von Neuronen-Untereinheiten manipulieren und so die Stabilität und Effizienz des Netzwerks verbessern können. Sie legen nahe, dass diese Domänen es Neuronen ermöglichen, das Informationsverarbeitungsnetzwerk bis auf die molekulare Ebene abzustimmen.

Relativ gesehen ähnelt der Prozess dem Einrichten eines Fernsehers für ein perfektes Fernseherlebnis bei Familien. Die Theorie, die getestet werden kann, könnte unser Verständnis der inneren Funktionsweise des Gehirns erheblich erweitern.

Wichtige Fakten:

  1. Die Hypothese der zytoelektrischen Kopplung legt nahe, dass die elektrischen Felder des Gehirns die Stabilität und Effizienz des Netzwerks anpassen können, indem sie Subneuronenkomponenten beeinflussen.
  2. Die Fähigkeit des Gehirns, sich an eine sich verändernde Welt anzupassen, erfordert Proteine ​​und Moleküle, die mit elektrischen Feldern interagieren, die von Neuronen erzeugt werden.
  3. Diese neue Theorie, die eine Verbindung auf mikroskopischer Ebene im Gehirn vorschlägt, ist eine überprüfbare Hypothese, die unser Verständnis der Gehirnfunktion revolutionieren könnte.

Quelle: Piccoer Institut für Lernen und Gedächtnis

Um seine vielen Funktionen, einschließlich des Denkens, zu erfüllen, arbeitet das Gehirn auf vielen Ebenen. Informationen wie Ziele oder Bilder werden durch koordinierte elektrische Aktivität zwischen Netzwerken von Neuronen dargestellt, während in und um jedes Neuron ein Cocktail aus Proteinen und anderen Chemikalien tatsächlich die im Netzwerk beteiligten Mechanismen ausführt.

Eine neue Arbeit von Forschern des MIT, der City University – University of London und der Johns Hopkins University geht davon aus, dass elektrische Netzwerkfelder die physikalische Konfiguration subzellulärer Komponenten von Neuronen beeinflussen, um die Stabilität und Effizienz des Netzwerks zu verbessern, eine Hypothese, die die Autoren „zelluläre elektrische Kopplung“ nennen. „

Earl K. sagte: Miller, Picower-Professor am Picower Institute for Learning and Memory am MIT, der das Papier mitverfasst hat Fortschritte in der Neurowissenschaft Mit Assistenzprofessor Dimitris Pinoutsis vom MIT und der City University – University of London und Professorin Jane Friedman von Johns Hopkins.

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Neuronen sind in der Lage, Schaltkreise dynamisch zu gestalten, indem sie Verbindungen, sogenannte Synapsen, herstellen und entfernen sowie diese Verbindungen stärken oder schwächen. Bildnachweis: Neuroscience News

„Das Gehirn passt sich einer sich verändernden Welt an“, sagte Benoutsis. „Auch Proteine ​​und Moleküle verändern sich. Sie können elektrische Ladungen haben und müssen mit Neuronen Schritt halten, die mithilfe elektrischer Signale Informationen verarbeiten, speichern und übertragen. Die Interaktion mit den elektrischen Feldern der Neuronen scheint von wesentlicher Bedeutung zu sein.“

Denken in Domänen

In Millers Labor geht es vor allem darum, zu untersuchen, wie aus der Aktivität von Millionen einzelner Neuronen schnell, flexibel und dennoch zuverlässig höhere kognitive Funktionen wie das Arbeitsgedächtnis entstehen können.

Neuronen sind in der Lage, Schaltkreise dynamisch zu gestalten, indem sie Verbindungen, sogenannte Synapsen, herstellen und entfernen sowie diese Verbindungen stärken oder schwächen. Aber Miller sagte, dies sei nur eine „Roadmap“, entlang derer Informationen fließen könnten.

Miller fand heraus, dass bestimmte neuronale Schaltkreise, die gemeinsam den einen oder anderen Gedanken repräsentieren, durch rhythmische Aktivität koordiniert werden, die umgangssprachlich als „Gehirnwellen“ unterschiedlicher Frequenz bekannt ist.

Schnelle „Gamma“-Rhythmen helfen dabei, Bilder aus unserer Sicht zu übertragen (z. B. einen Donut), während langsamere „Beta“-Wellen tiefere Gedanken über dieses Bild transportieren können (z. B. „zu viele Kalorien“).

Millers Labor hat gezeigt, dass zeitlich gut abgestimmte Ausbrüche dieser Wellen Vorhersagen übermitteln und das Schreiben, Halten und Lesen von Informationen in das Arbeitsgedächtnis ermöglichen können. Es bleibt stecken, wenn das Arbeitsgedächtnis es auch tut.

Das Labor berichtete über Beweise dafür, dass das Gehirn Rhythmen an bestimmten physischen Orten explizit manipulieren kann, um Neuronen für die flüssige Wahrnehmung weiter zu regulieren, ein Konzept, das als „räumliche Berechnung“ bezeichnet wird.

Jüngste Arbeiten aus dem Labor haben gezeigt, dass die Beteiligung einzelner Neuronen an Netzwerken zwar unbeständig und unzuverlässig sein kann, die von den Netzwerken, zu denen sie gehören, übertragenen Informationen jedoch stets durch die gesamten elektrischen Felder repräsentiert werden, die durch ihre kollektive Aktivität erzeugt werden.

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Elektrische Zellkopplung

In der neuen Studie kombinierten die Autoren dieses Modell der rhythmischen elektrischen Aktivität, die neuronale Netzwerke orchestriert, mit anderen Beweisen dafür, dass elektrische Felder Neuronen auf molekularer Ebene beeinflussen können.

Forscher haben beispielsweise die adhäsive Kopplung untersucht, bei der Neuronen die elektrischen Eigenschaften anderer durch die Nähe ihrer Membranen beeinflussen, anstatt sich ausschließlich auf den elektrochemischen Austausch über Synapsen zu verlassen. Dieses elektrische Übersprechen kann neuronale Funktionen beeinflussen, einschließlich wann und ob sie ausgelöst werden, um elektrische Signale an andere Neuronen im Schaltkreis zu übertragen.

Miller, Benoutsis und Friedman zitieren auch Forschungsergebnisse, die andere elektrische Effekte auf Zellen und ihre Komponenten zeigen, einschließlich der Frage, wie die neuronale Entwicklung durch Felder gesteuert wird und dass sich Mikrotubuli an ihnen ausrichten können.

Wenn das Gehirn Informationen in elektrischen Feldern transportiert und diese elektrischen Felder in der Lage sind, Neuronen und andere Elemente im Gehirn zu erzeugen, die ein Netzwerk bilden, ist es wahrscheinlicher, dass das Gehirn diese Fähigkeit nutzt. Die Autoren schlagen vor, dass das Gehirn mithilfe von Feldern sicherstellen kann, dass das Netzwerk das tut, was es tun soll.

Um es salopp auszudrücken: Der Erfolg des Netzwerkfernsehens beruht nicht nur auf seiner Fähigkeit, ein klares Signal an Millionen von Haushalten zu senden. Wichtig sind auch kleine Details wie die Art und Weise, wie jedes Haus den Fernseher, das Soundsystem und die Wohnzimmermöbel anordnet, um das Erlebnis zu maximieren.

Die Präsenz des Netzwerks sowohl in dieser Metapher als auch im Gehirn motiviert einzelne Teilnehmer, ihre Infrastruktur so zu konfigurieren, dass sie sich optimal engagieren, sagte Miller.

„Die zytoelektrische Kopplung verbindet Informationen auf der mesoskaligen und makroskopischen Ebene bis hin zur mikroskopischen Ebene von Proteinen, die die molekulare Grundlage des Gedächtnisses bilden“, schreiben die Autoren in der Arbeit.

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Der Artikel skizziert die inspirierenden Argumente für die Photovoltaik-Kopplung. „Wir liefern eine Hypothese, die jeder testen kann“, sagte Miller.

Finanzierung: Die Forschung wurde vom United Kingdom Research and Innovation (UKRI), dem US Office of Naval Research, der JPB Foundation und dem Picower Institute for Learning and Memory unterstützt.

Über diese Neuigkeiten aus der Neurowissenschaftsforschung

Autor: David Orenstein
Quelle: Piccoer Institut für Lernen und Gedächtnis
Kommunikation: David Orenstein – Picquer Institute for Learning and Memory
Bild: Bildquelle: Neuroscience News

Ursprüngliche Suche: offener Zugang.
Zytoelektrische Kopplung: Elektrische Felder formen die neuronale Aktivität und „stimmen“ die Infrastruktur des Gehirns abVon Earl K. Miller et al. Fortschritte in der Neurowissenschaft


eine Zusammenfassung

Zytoelektrische Kopplung: Elektrische Felder formen die neuronale Aktivität und „stimmen“ die Infrastruktur des Gehirns ab

Wir schlagen konvergierende Beweise für die Hypothese der zytoelektrischen Kopplung vor und liefern sie: Von Neuronen erzeugte elektrische Felder sind bis auf die Ebene des Zytoskeletts kausal.

Dies kann durch elektrische Diffusion, mechanischen Transport und Austausch zwischen elektrischer, potentieller und chemischer Energie erreicht werden. Die ephaptische Kopplung reguliert die neuronale Aktivität und bildet neuronale Cluster auf der Makroebene.

Diese Informationen breiten sich bis auf die Ebene der Neuronen aus und wirken sich auf Höhen aus, und dann auf die molekulare Ebene, um das Zytoskelett zu stabilisieren und es so zu „abstimmen“, dass es Informationen effizienter verarbeiten kann.