Zytoelektrische Kopplung: Elektrische Felder in Ordnung

Sep 24, 2023

Zusammenfassung: Wissenschaftler stellen eine Hypothese namens „Zytoelektrische Kopplung“ vor, die darauf hindeutet, dass elektrische Felder im Gehirn neuronale subzelluläre Komponenten manipulieren und so die Stabilität und Effizienz des Netzwerks optimieren können. Sie schlagen vor, dass diese Felder es Neuronen ermöglichen, das Informationsverarbeitungsnetzwerk bis auf die molekulare Ebene abzustimmen.

Im Vergleich dazu ähnelt dieser Vorgang dem Einrichten eines Fernsehgeräts in einem Haushalt für ein optimales Fernseherlebnis. Die zum Testen offene Theorie könnte unser Verständnis der inneren Funktionsweise des Gehirns erheblich verbessern.

Wichtige Fakten:

Quelle:Picower 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 innerhalb und um jedes Neuron eine Mischung aus Proteinen und anderen Chemikalien physikalisch die Mechanismen der Teilnahme am Netzwerk ausführt.

Eine neue Arbeit von Forschern des MIT, der City-University of London und der Johns Hopkins University geht davon aus, dass die elektrischen Felder des Netzwerks die physische Konfiguration der subzellulären Komponenten von Neuronen beeinflussen, um die Stabilität und Effizienz des Netzwerks zu optimieren, eine Hypothese, die die Autoren „ Zytoelektrische Kopplung.“

„Die Informationen, die das Gehirn verarbeitet, spielen eine Rolle bei der Feinabstimmung des Netzwerks bis hin zur molekularen Ebene“, sagte Earl K. Miller, Picower-Professor am Picower Institute for Learning and Memory am MIT, der Mitautor des in Progress erschienenen Artikels ist in Neurobiologie bei Associate Professor Dimitris Pinotsis vom MIT und City – University of London und Professor Gene Fridman von Johns Hopkins.

„Das Gehirn passt sich einer sich verändernden Welt an“, sagte Pinotsis. „Seine Proteine ​​und Moleküle verändern sich ebenfalls. Sie können elektrische Ladungen haben und müssen mit Neuronen Schritt halten, die mithilfe elektrischer Signale Informationen verarbeiten, speichern und übertragen. Eine Interaktion mit den elektrischen Feldern der Neuronen scheint notwendig.“

Denken in Feldern

Ein Hauptschwerpunkt von Millers Labor ist die Untersuchung, 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, dynamisch Schaltkreise zu bilden, indem sie Verbindungen, sogenannte Synapsen, herstellen und entfernen sowie diese Verbindungen stärken oder schwächen. Aber das stelle lediglich eine „Roadmap“ dar, entlang derer Informationen fließen könnten, sagte Miller.

Miller hat herausgefunden, dass die spezifischen neuronalen Schaltkreise, die gemeinsam den einen oder anderen Gedanken repräsentieren, durch rhythmische Aktivität koordiniert werden, umgangssprachlich auch als „Gehirnwellen“ unterschiedlicher Frequenz bekannt.

Schnelle „Gamma“-Rhythmen helfen dabei, Bilder aus unserer Sicht zu übertragen (z. B. ein Muffin), während langsamere „Beta“-Wellen unsere tieferen Gedanken über dieses Bild transportieren könnten (z. B. „zu viele Kalorien“).

Richtig zeitlich abgestimmt können Ausbrüche dieser Wellen Vorhersagen übermitteln und das Einschreiben, Festhalten und Auslesen von Informationen im Arbeitsgedächtnis ermöglichen, wie Millers Labor gezeigt hat. Sie brechen zusammen mit dem Arbeitsgedächtnis zusammen.

Das Labor hat Beweise dafür vorgelegt, dass das Gehirn Rhythmen an bestimmten physischen Orten deutlich manipulieren könnte, um Neuronen für eine flexiblere Wahrnehmung weiter zu organisieren, ein Konzept namens „Spatial Computing“.

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

Zytoelektrische Kopplung

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

Forscher haben beispielsweise die ephaptische Kopplung untersucht, bei der Neuronen die elektrischen Eigenschaften anderer über die Nähe ihrer Membranen beeinflussen, anstatt sich ausschließlich auf den elektrochemischen Austausch über Synapsen zu verlassen. Dieses elektrische Übersprechen kann sich auf neuronale Funktionen auswirken, beispielsweise darauf, wann und ob sie elektrische Signale an andere Neuronen in einem Schaltkreis weiterleiten.

Miller, Pinotsis und Fridman zitieren auch Forschungsergebnisse, die andere elektrische Einflüsse auf Zellen und ihre Komponenten zeigen, einschließlich der Frage, wie die neuronale Entwicklung durch Felder gesteuert wird und dass Mikrotubuli durch sie ausgerichtet werden können.

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

Um es locker auf die Couch-Potato-Sprache auszudrücken: Der Erfolg eines Fernsehsenders liegt nicht nur in seiner Fähigkeit, ein klares Signal an Millionen von Haushalten zu senden. Wichtig sind auch die Details sowie die Art und Weise, wie jeder Haushalt des Zuschauers seinen Fernseher, sein Soundsystem und seine Wohnzimmermöbel aufstellt, um das Erlebnis zu maximieren.

Sowohl in dieser Metapher als auch im Gehirn, so Miller, motiviert die Präsenz des Netzwerks die einzelnen Teilnehmer, ihre eigene Infrastruktur für eine optimale Teilnahme zu konfigurieren.

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

Der Artikel legt die Logik dar, die der zytoelektrischen Kopplung zugrunde liegt. „Wir bieten eine Hypothese an, 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.

Autor:David OrensteinQuelle:Picower Institut für Lernen und GedächtnisKontakt:David Orenstein – Picower Institut für Lernen und GedächtnisBild:Das Bild stammt von Neuroscience News

Ursprüngliche Forschung: Offener Zugang. „Zytoelektrische Kopplung: Elektrische Felder formen die neuronale Aktivität und „tunen“ die Infrastruktur des Gehirns“ von Earl K. Miller et al. Fortschritte in der Neurobiologie

Abstrakt

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 präsentieren sie: Von Neuronen erzeugte elektrische Felder sind bis auf die Ebene des Zytoskeletts kausal.

Dies könnte durch Elektrodiffusion und Mechanotransduktion sowie den Austausch zwischen elektrischer, potentieller und chemischer Energie erreicht werden. Die ephaptische Kopplung organisiert die neuronale Aktivität und bildet neuronale Ensembles auf makroskaliger Ebene.

Diese Informationen breiten sich auf der Neuronenebene aus, beeinflussen das Spikeing und gehen bis auf die molekulare Ebene, um das Zytoskelett zu stabilisieren und es so zu „abstimmen“, dass es Informationen effizienter verarbeiten kann.

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