Studie entschlüsselt, wie sich eine einzelne Nervenzelle vermehren kann

Neuronen führen ständig komplexe Berechnungen durch, um sensorische Informationen zu verarbeiten und auf den Zustand der Umgebung zu schließen. Um zum Beispiel einen Ton zu lokalisieren oder die Richtung einer visuellen Bewegung zu erkennen, sollen einzelne Neuronen zwei Signale multiplizieren. Wie eine solche Berechnung durchgeführt wird, ist jedoch seit Jahrzehnten ein Rätsel. Forscher des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz haben nun bei Fruchtfliegen die biophysikalische Grundlage entdeckt, die es einem bestimmten Neuronentyp ermöglicht, zwei eingehende Signale zu vervielfachen. Dies liefert grundlegende Einblicke in die Algebra von Neuronen – die Berechnungen, die unzähligen Prozessen im Gehirn zugrunde liegen können.

Wir erkennen leicht Objekte und die Richtung, in die sie sich bewegen. Das Gehirn berechnet diese Informationen basierend auf lokalen Änderungen der Lichtintensität, die von unserer Netzhaut erkannt werden. Die Berechnungen finden auf der Ebene einzelner Neuronen statt. Aber was bedeutet es, wenn Neuronen rechnen? In einem Netzwerk kommunizierender Nervenzellen muss jede Zelle ihr ausgehendes Signal aus einer Vielzahl eingehender Signale berechnen. Bestimmte Arten von Signalen verstärken sich, andere verringern das ausgehende Signal – Prozesse, die Neurowissenschaftler als „Erregung“ und „Hemmung“ bezeichnen.

Theoretische Modelle gehen davon aus, dass das Sehen von Bewegung die Multiplikation zweier Signale erfordert, aber wie solche Rechenoperationen auf der Ebene einzelner Neuronen durchgeführt werden, war bisher unbekannt. Forscher der Abteilung von Alexander Borst am Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz haben dieses Rätsel nun in einer bestimmten Nervenzelle gelöst.

Aufnahme von T4-Zellen

Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf sogenannte T4-Zellen im visuellen System der Fruchtfliege. Diese Neuronen reagieren nur auf visuelle Bewegungen in eine bestimmte Richtung. Den Erstautoren Jonatan Malis und Lukas Groschner ist es erstmals gelungen, sowohl die eingehenden als auch die ausgehenden Signale von T4-Zellen zu messen. Dazu platzierten die Neurobiologen das Tier in einem Miniaturkino und zeichneten mit winzigen Elektroden die elektrischen Aktivitäten der Neuronen auf. Da T4-Zellen zu den kleinsten aller Nervenzellen gehören, waren die erfolgreichen Messungen ein methodischer Meilenstein.

Zusammen mit Computersimulationen ergaben die Daten, dass die Aktivität einer T4-Zelle ständig gehemmt wird. Bewegt sich ein visueller Reiz jedoch in eine bestimmte Richtung, wird die Hemmung kurzzeitig aufgehoben. Innerhalb dieses kurzen Zeitfensters wird ein ankommendes Anregungssignal verstärkt: Mathematisch entspricht eine konstante Hemmung einer Division; Das Entfernen der Hemmung führt zu einer Multiplikation. „Wir haben in einem einzelnen Neuron eine einfache Grundlage für eine komplexe Berechnung entdeckt“, erklärt Lukas Groschner. „Die umgekehrte Operation einer Division ist eine Multiplikation. Neuronen scheinen in der Lage zu sein, diese Beziehung auszunutzen“, fügt Jonatan Malis hinzu.

Relevanz für das Verhalten

Die Vermehrungsfähigkeit der T4-Zelle ist an ein bestimmtes Rezeptormolekül auf ihrer Oberfläche gekoppelt. „Tiere, denen dieser Rezeptor fehlt, nehmen visuelle Bewegungen falsch wahr und können in Verhaltensexperimenten keinen stabilen Kurs beibehalten“, erklärt Co-Autorin Birte Zuidinga, die die Laufbahnen von Fruchtfliegen in einem Virtual-Reality-Setup analysierte. Dies verdeutlicht die Bedeutung dieser Art der Berechnung für das Verhalten der Tiere.

„Bisher war unser Verständnis der grundlegenden Algebra von Neuronen eher unvollständig“, sagt Alexander Borst. „Das vergleichsweise einfache Gehirn der Fruchtfliege hat es uns jedoch ermöglicht, Einblick in dieses scheinbar unlösbare Rätsel zu gewinnen.“ Die Forscher vermuten, dass ähnliche neuronale Berechnungen beispielsweise unserer Fähigkeit zugrunde liegen, Geräusche zu lokalisieren, unsere Aufmerksamkeit zu fokussieren oder uns im Raum zu orientieren.