Überblick

Netzwerke der Erkenntnis

Die Bioelektronik zeigt einen Weg auf, das Gehirn von neuronalen Netzwerken aus zu verstehen.

  • Andreas Offenhäusser und Sabrina Weidlich
  • 07 / 2018 Seite: 41

Das menschliche Gehirn ist ein Organ größter Komplexität. Trotz weitreichender Fortschritte in den Neuro­wissenschaften bleibt das detaillierte Verständnis der Aktivität und Interaktion dieses komplexen Systems bislang ein unerreichtes Ziel. Ein vielversprechender Versuch, die Signalprozessierung besser zu verstehen, ist die Bioelektronik, die von kleineren neuronalen Netzwerken ausgeht.

Die Funktionsweise des Gehirns zu verstehen, ist eine der größten Herausforderungen für Wissen­schaft und Technik. Unser Gehirn besteht aus einem Netzwerk von etwa 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die von einer noch größeren Anzahl an Gliazellen umgeben sind – nichtneuronalen Zellen mit Isolations- und Pufferfunktion. Die Neuronen bilden untereinander Kontakte, wobei jedes Neuron bis zu 10 000 solcher Synapsen ausbilden kann. Diese Kontaktstellen sind extrem veränderbar und bilden die Basis unserer motorischen, kognitiven und emotionalen Fähigkeiten.
Die Biowissenschaften und die Medizin haben in den letzten hundert Jahren wesentlich dazu beigetragen, die biologischen Vorgänge des menschlichen Körpers zu entschlüsseln. Die stürmische Entwicklung der Neurowissenschaften in den letzten Jahrzehnten ermöglichte es, die neuronalen Informationsprozesse besser zu verstehen, vor allem die molekularen Reaktionen und Reaktionsketten in Nervenzellen, welche die Eigenschaften von Netzwerk und Nervensystem beeinflussen. Jedoch bleibt das Gehirn als Ganzes – sowohl im gesunden als auch pathologisch veränderten Zustand – weiterhin ein Rätsel und damit auch das Verständnis der Pathophysiologie vieler neurologischer und neuropsychiatrischer Erkrankungen. Für viele dieser Erkrankungen kennen wir weder Heilmittel noch wirksame Behandlungen. Mittlerweile lassen sich den verschiedenen Hirnarealen spezielle Funktionen zuordnen oder Fehlfunktionen erkennen und lokalisieren. Doch die verwendeten klinischen Methoden, darunter Elektroenzephalographie (EEG), Computertomographie oder funktionelle Magnetresonanztomographie, erlauben es in der Regel nicht, die neuronale Kommunikation mit Einzelzellauflösung zu erfassen, sondern können lediglich die Aktivität großer Zellverbände detektieren. Selbst eine Auflösung im Sub-Millimeter-Bereich erfasst immer noch die Aktivität einiger zehntausend Neuronen. Daher sind Methoden notwendig, die mit ausreichend räumlicher und zeitlicher Auflösung Signale des Gehirns erfassen, um eine Analyse der neuronalen Kommunikation sowohl auf der Ebene von einzelnen Zellen als auch auf der von Netzwerken zu ermöglichen [1]. Ferner ist für therapeutische Zwecke eine bidirektionale Kommunikation wünschenswert, d. h. über die reine Untersuchung der neuronalen Sig­nale hinaus auch die Möglichkeit, die Netzwerk­aktivität gezielt zu beeinflussen...

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