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Die Rolle der Histon-Acetylierung für Lernen und Gedächtnis
Authors: Wolf Steffen Benjamin Eggert
Published: April 2017

Veränderungen in der Genexpression spielen eine wichtige Rolle in der Plastizität des Gehirns und damit in seiner Fähigkeit zu lernen und Erinnerungen zu speichern. Modifikationen der Chromatinstruktur, allen voran Histon-Acetylierung, konnten dabei als entscheidende regulatorische Faktoren identifiziert werden. So nimmt das Zusammenspiel zwischen Histon-Acetyltransferasen und Histon-Deacetylasen eine zentrale Rolle in vielen kognitiven Prozessen ein. Der Übergang vom Kurz- zum Langzeitgedächtnis, die Rekonsolidierung von Erinnerungen und die Plastizität des visuellen Kortex werden genauso von der Histon-Acetylierung reguliert wie das Suchtverhalten bei chronischer Kokaingabe. All diese Phänomene beruhen auf der koordinierten Transkription spezifischer Gene, die durch die Änderungen der Chromatinstruktur gesteuert wird. Die hier zusammengestellten Ergebnisse zu der Rolle der Histon-Acetylierung in diesen Lern- und Gedächtnisvorgängen tragen zum Verständnis ihrer grundlegenden Mechanismen bei. Solche Erkenntnisse können auf lange Sicht auch Möglichkeiten für Therapien von Störungen dieser Prozesse aufzeigen.
Genetisch kodierte optische Sensoren des neuronalen Membranpotenzials: Was sind die Perspektiven für die hochauflösende Messung elektrischer Signale in kortikalen Hirnstrukturen?
Authors: Akemann Walther , Knöpfel Thomas
Published: April 2017

Zur Erforschung der Funktionsweise kortikaler neuronaler Schaltkreise bedarf es experimenteller Methoden, die die elektrische Aktivität sehr vieler Nervenzellen innerhalb eines gewählten Gewebebereichs simultan erfassen. Dadurch motiviert ist die Entwicklung einer optischen Technik zur Ableitung elektrischer Potenziale in Nervenzellen durch genetisch codierte Proteinindikatoren mit membranspannungsabhäniger Fluoreszenzemission (VSFPs: Voltage-Sensitive Fluorescent Proteins). Alle bisher entwickelten Proteine dieser Art sind als Fusionsproteine mit Komponenten aus spannungsgesteuerten Membranproteinen und fluoreszierenden Proteinen konzipiert. Fluoresziernde Spannungssensorproteine mit den bisher besten Eigenschaften (VSFP2 und VSFP3) enthalten einen Teil einer spannungsgesteuerten Phosphatase der Schlauchseescheide (ciona intestinalis). Wir beschreiben den gegenwärtig erreichten Stand der Entwicklung dieser Proteine in Hinblick auf ihre Anwendung zur Messung der Dynamik und Ausbreitung elektrischer Erregung in kortikalen neuronalen Netzwerken in Echtzeit und mit hoher räumlich-funktioneller Auflösung.
Im gemachten Nest – Struktur und Funktionen neuraler Stammzellnischen
Authors: Holst Alexander von , Faissner Andreas
Published: April 2017

Die neurale Stammzellnische sorgt für eine spezialisierte Umgebung, die den Erhalt neuraler Stammzellen in bestimmten Regionen des Vorderhirns sicherstellt und die fortgesetzte Bildung von Gliazellen und Neuronen ermöglicht. Die Nische umfasst verschiedene Zelltypen und eine spezialisierte extrazelluläre Matrix (EZM). Es konnte anhand von Untersuchungen zur Rolle von Tenascin-C (Tnc) für neurale Stammzellen gezeigt werden, dass die EZM der Nische nicht allein permissiv, sondern instruktiv auf das Stammzell Kompartiment wirkt. Diese Erkenntnisse wurden durch den systematischen Einsatz der Induktionsgenfallentechnologie in embryonalen, neuralen Stammzellen gewonnen, der Sam68 als neues Zielgen von Tnc zu Tage gefördert hat. Das alternative Spleißen der großen Tnc-Isoformen wird selektiv durch Sam68 und Pax6 gefördert. Durch den Einsatz der Genfallentechnologie gelang es, mechanistisch neue Wege der EZM-abhängigen Signalisierung aufzuzeigen, die langfristig auch für die translationale Stammzellforschung relevant sind. Es wurde ferner gezeigt, dass die Kohlenhydratstrukturen der Chondroitinsulfat-Proteoglykane (CSPG) auf das Schicksal neuraler Stammzellen einwirken. Das Fehlen der CSPG-Zucker begünstigt die Gliogenese zu Lasten der Neurogenese. Zudem sind die Kohlenydratstrukturen und deren Sulfatierung für die Proliferation neuraler Stammzellen notwendig. Der EZM kann eine wichtige, instruktive Rolle in der Nische zugeordnet werden, die Überleben, Proliferation, Selbsterhalt und Zellschicksal neuraler Stammzellen orchestriert.
Die Mobilität der synaptischen Vesikel
Authors: Kamin Dirk , Rizzoli Silvio O.
Published: April 2017

Synaptische Vesikel sind kleine Organellen, in denen der Botenstoff für die Kommunikation zwischen Nervenzellen sowie zwischen Nervenzellen und anderen Zellen gespeichert wird. In dem sogenannten Vesikelkreislauf fusionieren die Vesikel zum Freisetzen des Botenstoffes mit der Zellmembran (Exozytose), werden anschließend wieder neu geformt (Endozytose) und für eine weitere Runde vorbereitet. Zur Ausführung ihrer Aufgabe ist es notwendig, dass die Vesikel beweglich sind: Sie müssen die aktive Zone erreichen, um fusionieren zu können. Nach der Endozytose müssen sie zurück zum Vesikelcluster gelangen. Darüber hinaus bewegen sich die Vesikel auch von Synapse zu Synapse und von der Synapse zum Zellkörper der Nervenzelle. Wir besprechen hier den derzeitigen Wissensstand der synaptischen Vesikelmobilität - einem komplexen und ziemlich verwirrenden Forschungsbereich. Wir stellen die bedeutsamsten bildgebenden Flureszenztechniken dar, die zur Untersuchung der Vesikelbewegung innerhalb von Synapsen verwendet worden sind. Außerdem diskutieren wir das wichtigste Forschungsergebnis, nach dem die Vesikel paradoxerweise bei synaptischer Inaktivität oder während der Stimulierung kaum Mobilität aufweisen. Ebenfalls diskutieren wir Anhaltspunkte einer Beteiligung unterschiedlicher Zellskelettkomponenten bei der Vesikelbewegung: Aktin und Synapsin könnten unentbehrliche Proteine sein, obwohl bei mehreren Studien, in denen diese Proteine ernsthaft zerstört wurden, keine Veränderungen des synaptischen Vesikelzyklus beobachtet wurde. Zum Schluss spekulieren wir über die Beweglichkeit von synaptischen Vesikelkomponenten in der Zellmembran. Dieser Schritt des Vesikelkreislaufs wurde nie direkt erforscht. Außerdem folgern wir, dass nicht alle Vesikel identisch sind, da einige mobil, andere wiederum starr sind. Diese Folgerung könnte bei der Erklärung der komplizierten Beobachtungen in diesem Forschungsbereich weiterhelfen.
Spreading depolarization, Tsunami im Hirn
Authors: Dreier Jens P.
Published: April 2017

Spreading depolarization (SD) beschreibt eine neuronale und astrozytäre Massendepolarisationswelle der grauen Substanz. Normalerweise ist an diese eine Vasodilatation gekoppelt, die zu einem Blutflussanstieg führt (spreading hyperemia). Unter bestimmten Bedingungen kann SD aber auch einen arteriellen Spasmus der Mikrozirkulation mit konsekutiver spreading ischemia (SI) induzieren. Diese inverse neurovaskuläre Kopplung tritt z.B. unter artifizieller zerebrospinaler Flüssigkeit auf, die den Zustand nach Subarachnoidalblutung imitiert. SD mit normaler neurovaskulärer Kopplung induziert in gesundem Hirngewebe keinen Zelltod, während SI bei der Ratte kortikale Nekrosen verursacht. Im menschlichen Hirn sind kortikale Nekrosen typisches Korrelat verzögerter ischämischer Schlaganfälle nach Subarachnoidalblutung. Basierend auf unseren tierexperimentellen Befunden stellten wir 1998 die Hypothese auf, dass SI ein Mechanismus verzögerter ischämischer Schlaganfälle beim Menschen sein könnte. Mithilfe subduraler Opto-/Elektrodenstreifen und serieller Bildgebung konnten wir mittlerweile nicht nur das massive Auftreten von SDs nach Subarachnoidalblutung beim Menschen nachweisen, sondern auch das Auftreten von SI in der Entstehung verzögerter ischämischer Schlaganfälle. SI ist ein vielversprechendes Ziel für die Entwicklung neuer Therapiestrategien.
Die synaptische Architektur des Zapfen-Endfüßchens
Authors: Puller Christian , Haverkamp Silke
Published: April 2017

In der Netzhaut des menschlichen Auges gibt es etwa 120 Millionen Stäbchen und 6 Millionen Zapfen. Sie absorbieren das Licht, wandeln es in elektrische Signale um und leiten dann durch Ausschüttung des Neurotransmitters Glutamat die visuelle Information über die Bipolarzellen an die Ganglienzellen weiter. Die Zapfen, verantwortlich für das Sehen bei Tageslicht, die Sehschärfe und für die Farbwahrnehmung, weisen eine hochkomplexe synaptische Architektur auf. Bereits an dieser ersten Synapse des Sehsystems, dem Zapfen-Endfüßchen, wird das Lichtsignal moduliert und in verschiedene parallele Übertragungswege aufgespaltet. Entscheidend ist dabei die Expression unterschiedlicher Transmitterrezeptoren an den zahlreichen Kontakten zwischen den Zapfen-Endfüßchen und den nachgeschalteten Bipolar- und Horizontalzellen. Zusätzlich sind die Zellen häufig über elektrische Synapsen gekoppelt. Mittels konfokaler Laser-Scanning-Lichtmikroskopie sowie elektronenmikroskopischer Methoden sind wir in der Lage, die synaptischen Komponenten und deren Verteilung im Detail zu untersuchen - und somit Einblick in die Funktionsweise dieser außergewöhnlichen Synapse zu erhalten.
Ereigniskorrelierte Potenziale: Ansatz, Parametrisierung und Analyseverfahren
Authors: Gajewski Patrick D. , Wild-Wall Nele , Hoffmann Sven , Falkenstein Michael
Published: April 2017

Ereigniskorrelierte Potenziale (EKP) sind eine der Kernmethoden der Psychophysiologie. Der Beitrag bietet eine aktuelle Übersicht über den theoretischen Ansatz, Messtechnik und die Parametrisierung von EKPs. Hier sollen vor allem grundlegende Probleme und offene Fragen der Signalaufnahme und Analyse erläutert werden wie Wahl der Referenz und der Bezugslinie („baseline“). Neben diesen allgemeinen Aspekten werden zwei weitere methodische Schwerpunkte diskutiert: die Zerlegung von EKP in Teilkomponenten mithilfe der Independent Component Analysis (ICA) und ein Abriss der Methoden zur Quellenschätzung der EKP-Signale und das mit ihr verknüpfte „inverse Problem“.
Soziale Signale erschnüffeln: chemische Kommunikation und das Vomeronasalorgan
Authors: Spehr Marc
Published: April 2017

Bei den meisten Säugetieren kontrollieren innerartliche chemische Kommunikati­onsstrategien komplexes Sozial- und Sexualverhalten. Noch bis vor wenigen Jahren beruhte unser konzeptionelles Verständnis chemosensorischer Kommunikation auf der (simplistischen) Annahme einer strikt dichotomen Organisation des olfaktorischen Systems: zwei anatomisch wie funktional streng voneinander getrennte sensorische Systeme - das Riechepithel und das Vomeronasalorgan - detektieren jeweils eine von zwei grundsätzlich unterschiedlichen Arten chemischer Reize - allgemeine Gerüche versus „Pheromone“. Durch eine Vielzahl spannender und z.T. durchaus unerwar­teter Befunde aus jüngster Zeit wird nunmehr klar: Die Organisationsstruktur des Geruchssinns ist weitaus komplexer und funktional differenzierter als ursprünglich angenommen. Mindestens vier anatomisch separierte olfaktorische Subsysteme, die vielfach eine bemerkenswerte Heterogenität in ihrer neuronalen Zusammensetzung aufweisen, detektieren distinkte (und in Teilen überlappende) Gruppen sensorischer Stimuli. Gelingt es uns, die spezifischen Rezeptortypen und nachgeschalteten Signalwege der verschiedenen Subsysteme im Detail zu verstehen und somit die Kodierungslogik sozialer chemischer Signale aufzuschlüsseln, werden wir letztlich entscheidende Er­kenntnisse über die neurophysiologischen Grundlagen sozialen Verhaltens gewinnen.
Künstliche Implantate für die Regeneration peripherer Nerven
Authors: Koxholt Isabell , Mey Jörg
Published: April 2017

Da im peripheren Nervensystem axonale Regeneration möglich ist, kann man Verlet­zungen durch Vernähen durchtrennter Nerven oder durch Nerventransplantationen heilen. Für Transplantationen verwendet man sensorische Nerven, z.B. den N. suralis, weshalb an der Entnahmestelle ein sensorischer Funktionsverlust entsteht. Folglich besteht ein medizinischer Bedarf an künstlichen Nervenimplantaten. Diese müssen axonale Regeneration und die Migration von Schwannzellen fördern und dürfen na­türlich keine Entzündungsreaktion hervorrufen. Bereits heute werden leere Röhren zur Verbindung von Nervenstümpfen bei Menschen eingesetzt. Allerdings ist es nicht möglich, mit diesen Brücken Distanzen größer als 30 mm durch Regeneration zu überwinden. Um das zu erreichen, wurden eine Reihe natürlicher und synthetischer Materialien getestet und verschiedene Konstruktionsstrategien erprobt. Man verwendet biokompatible Röhren, die interne Leitstrukturen enthalten. Dafür werden parallele Fasern durch Elektrospinnen hergestellt, oder man produziert longitudinale Kanäle durch Gefriertrocknung von Gelen. Daneben werden Implantatmaterialien mit bioche­mischen Funktionalitäten versehen. Dies sind vor allem Proteine der extrazellulären Matrix oder kurze synthetische Peptide, die zelluläre Integrine aktivieren. Andere Ansätze verwenden Gradienten neurotropher Faktoren oder inkorporieren regene­rationsfördernde Zellen. Fernziel der Forschung ist jedoch die Entwicklung zellfreier künstlicher Nervenbrücken, die genau so gute Regeneration ermöglichen, wie sie in autologen Nerventransplantaten möglich ist.
Signalwandlung und Signalübertragung: Die zwei Seiten eines Fotorezeptors
Authors: Gießl Andreas , Regus-Leidig Hanna , Brandstätter Johann Helmut
Published: April 2017

Sehen beginnt in hochspezialisierten sensorischen Nervenzellen, den Stäbchen- und Zapfen-Fotorezeptoren. Ihre Aufgabe ist die Aufnahme und Umwandlung von Licht­teilchen in elektrische Signale, welche sie in höchster Präzision auf das nachfolgende Netzwerk der Retina übertragen. Fotorezeptoren haben die Fähigkeit, sich in ihrer Aktivität ständig den vorherrschenden Lichtverhältnissen anzupassen. Man stelle sich eine stockdunkle Nacht vor, in der es nur vereinzelte Lichtteilchen gibt, die auf die Retina treffen und von den Fotorezeptoren aufgenommen werden und im Vergleich dazu einen strahlend hellen Sonnentag mit Milliarden von Lichtteilchen, die auf die Fotorezeptoren einwirken. Auf diese Weise wird einem bewusst, dass die Fotorezeptoren zwei grundlegende Herausforderungen zu bewältigen haben: Sie müs­sen äußerst empfindlich sein - schon ein einzelnes Lichtteilchen reicht aus, um eine Aktivitätsveränderung in einem Stäbchenfotorezeptor auszulösen - und gleichzeitig müssen sie eine ungeheure dynamische Bandbreite an Lichtintensitäten wahrnehmen, die mehrere Zehnerpotenzen umfasst. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, haben die Fotorezeptoren abgegrenzte, strukturell und funktionell spezialisierte Kom­partimente entwickelt, welche in diesem Beitrag näher beschrieben werden sollen: Das Fotorezeptoraußensegment, welches die Aufgabe der Signalwandlung inne hat und die Endigungen der Fotorezeptoren mit ihren hochkomplexen Bandsynapsen, welche die Aufgabe der Signalübertragung übernehmen.
Ultraschallkommunikation bei Nagern und ihre Bedeutung für Modelle neuropsychiatrischer Erkrankungen
Authors: Wöhr Markus , Schwarting Rainer K.W.
Published: April 2017

Mäuse und Ratten verfügen über die Fähigkeit, Rufe im Ultraschallbereich auszusenden und zu detektieren (sogenannte Ultraschallvokalisationen, USV). Dabei können in Abhängigkeit von Entwicklungsniveau, affektivem Zustand und sozialem Kontext verschiedene USV-Klassen mit distinkten Schallmerkmalen unterschieden werden. So senden Mäuse und Ratten während der ersten Lebenstage, wenn sie von Mutter und Nest getrennt sind, isolationsinduzierte USV aus, die maternales Such- und Eintrageverhalten induzieren. Diese Rufe werden in der Angstforschung als frühes Maß angstähnlichen Verhaltens herangezogen. Adulte Ratten emittieren in tatsächlichen oder potenziellen Gefahrensituationen, wie Konfrontation mit einem Fressfeind, furchtinduzierte USV, welche für Artgenossen eine Alarmfunktion besitzen. Auch diese Rufe werden in der Angstforschung verwendet. Eine dritte Klasse von Rufen tritt bei juvenilen und adulten Mäusen und Ratten in vermutlich positiv affektiven (sogenannten appetitiven) Situationen auf, etwa während des sozialen Spiels oder des Erkundens von Artgenossen. Auch können diese Rufe durch potenziell süchtig machende Substanzen induziert werden, weshalb sie in der Sucht- und Depressionsforschung eingesetzt werden. Bedeutsamerweise haben diese Rufe eine affiliative kommunikative Funktion, denn sie induzieren soziales Annäherungsverhalten beim Empfänger. Dieser kommunikative Aspekt hat dazu geführt, dass die interaktionsinduzierten USV als Maß für Defizite in Sozialverhalten und Kommunikation eingesetzt werden. Sie finden daher zunehmend Anwendung bei Tiermodellen für tief greifende Entwicklungsstörungen, insbesondere Autismus.
Zytoskelett und Nukleus: Die Rolle von Aktin als Modulator der neuronalen Genexpression
Authors: Knöll Bernd , Beck Henning
Published: April 2017

Der traditionelle Blick auf die Funktion des Aktin-Zytoskeletts ist in der Regel auf eine Rolle als zytoplasmatisches Zellgerüst eingeschränkt. In den letzten Jahren wurde dieses Konzept dahingehend maßgeblich erweitert, dass dynamische Verän­derungen in der Aktin-Polymerisation ein Signal darstellen, das die Genexpression im Nukleus beeinflusst. Durch diese Kommunikation mit dem Nukleus wird durch zytoplasmatisches und auch nukleäres Aktin eine weitere Ebene der Regulation zellulärer Motilitätsprozesse bereitgestellt. Dabei wurde ein Genregulationskom­plex bestehend aus den Transkriptionsfaktoren SRF (Serum Response Faktor) und Mitgliedern der MRTF-Familie (Myocardin Related Transcription Factor) als primäres Ziel dieser Aktin-Signalgebung in den Nukleus identifiziert. Im Rahmen dieses Übersichtsartikels wird diese aus Aktin-MRTF-SRF bestehende Genregula­tionseinheit in Neuronen vorgestellt.
Dendritische Spines: Dynamische Bausteine des Gedächtnisses
Authors: Wiegert J. Simon , Oertner Thomas G.
Published: April 2017

Eines der größten Rätsel der Naturwissenschaften ist der Computer in unserem Kopf: Wie schafft es die Natur, die richtigen Nervenzellen miteinander zu verknüpfen, ohne einem genauen genetisch festgelegten Schaltplan zu folgen? Man nimmt an, dass sich lokale Kontakte im Kortex zunächst zufällig bilden und die ‚falschen‘ im Laufe der Entwicklung wieder entfernt werden. Nur, woher weiß das Gehirn, welche Verbin­dungen ‚falsch‘ und welche ‚richtig‘ sind? Die Mehrzahl der erregenden Synapsen im Gehirn befindet sich auf dendritischen Spines, winzigen pilzförmigen Ausstülpungen der dendritischen Zellmembran. Diese Strukturen faszinieren Neurobiologen seit ihrer Entdeckung durch Ramón y Cajal 1896, da sie festlegen, welche Zellen miteinander Informationen austauschen können. In diesem Artikel geben wir einen Überblick über die zahlreichen Funktionen von Spines und erklären, warum die elektrischen und bio-chemischen Prozesse, die in diesen winzigen Strukturen ablaufen, so wichtig für die Plastizität unseres Gehirns sind.
In vitro -Experimente zur Entwicklung topografischer neuronaler Karten
Authors: Gebhardt Christoph , Weth Franco , Bastmeyer Martin
Published: April 2017

Topografische axonale Projektionen sind ein weit verbreitetes Muster der neuronalen Konnektivität. Das am besten untersuchte Modellsystem für diese Verbindungen ist die retinotektale Projektion. Ihre Entstehung wird im Allgemeinen erklärt durch eine Interaktion gradiert verteilter Marker des ephrin-A/EphA-Systems, welche sowohl auf den Wachstumskegeln retinaler Ganglienzellen als auch auf dem tektalen Zielgebiet exprimiert sind. Die wichtigsten Einsichten in die Entstehung der retinotektalen Projektion lieferten bemerkenswerterweise in vitro- und nicht in vivo-Experimente. So ermöglichten funktionelle in vitro-Assays nicht nur die biochemische Identifikation der postulierten Lenkungsmoleküle, sondern halfen auch, die von ihnen übermittelten Signale zu verstehen. So zeigte sich, dass sowohl forward (ephrin-A -> EphA) als auch reverse signalling (EphA -> ephrin-A) für eine topografiegemäße Lenkung retinaler Axone benötigt werden. Trotz allem existiert im Moment kein Assay, welcher die Topografieentstehung in vitro vollständig reproduzieren kann. Neue in vitro-Techniken wie micro-contact printing oder micro-fluidic networks können dabei helfen, vorhandene Assays weiterzuentwickeln und so ein hinreichendes Set von funktionellen Komponenten der Entstehung topografischer Projektionen zu identifizieren.
Intrazellulärer Transport synaptischer Proteine
Authors: Kneussel Matthias
Published: April 2017

Intrazellulärer Transport liefert molekulares Frachtgut zu seinen zellulären Bestimmungsorten. Neuronen sind polare und erregbare Zellen, die eine gezielte Belieferung mit mRNAs, Proteinen und Organellen an bestimmte subzelluläre Orte benötigen. Eine Vielzahl von Motorprotein-Komplexen transportiert synaptische Fracht in anterograder und retrograder Richtung entlang von Mikrotubuli und Aktinfilamenten des Zytoskeletts. Bestimmte synaptische Proteine koppeln dabei über Adaptermoleküle an molekulare Motoren. Einzelne Adaptoren fungieren darüber hinaus als Gerüstproteine an postsynaptischen Spezialisierungen oder lenken Transportgüter entweder in Axone oder Dendriten. Zahlreiche Hinweise lassen auf eine funktionelle Kopplung zwischen synaptischer Erregung und der intrazellulären Transportmaschinerie schließen. Ob mikrotubuli-basierter Transport an der funktionellen Verstärkung oder Abschwächung synaptischer Funktionen über lange Zeiträume beteiligt ist, ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Diverse posttranslationale Modifikationen von Tubulin beeinflussen intrazellulären Transport in positiver oder negativer Weise und könnten als molekulare „Verkehrsschilder“ bei der Steuerung von zellulären Transportprozessen beteiligt sein.
Moleküle, Zellen und Netzwerke für die Verarbeitung von Geruchsreizen im Riechkolben der Maus
Authors: Kuner Thomas , Schaefer Andreas T.
Published: April 2017

Wie Nervenzell-Netzwerke im Gehirn den Informationsfluss steuern und verarbeiten, ist weitestgehend ungeklärt. Bei der Geruchsverarbeitung in Säugetieren sind inhibitorische Verschaltungen in der ersten Verarbeitungsstufe, dem Riechkolben, die anatomisch dominierende Struktur. Mäuse mit spezifischer genetischer Veränderung der Neuronen des Riechkolbens konnten je nach Inhibitionsstärke im Verhaltensexperiment Gerüche schneller oder weniger schnell unterscheiden. Diese Ergebnisse sprechen für eine auch funktionell tragende Rolle der inhibitorischen Verschaltungen in der Geruchsverarbeitung.
Neurobiologische Forschung in der Psychiatrie – Dimensional veränderte Lernmechanismen statt Reifizierung von Kategorien?
Authors: Heinz Andreas , Beck Anne
Published: April 2017

Die neurowissenschaftliche Untersuchung psychischer Erkrankungen wird kompliziert durch unklare nosologische Grenzen zwischen den Krankheitsbildern, phänotypische Variabilität und die hohe inter- und intraindividuelle Varianz ihrer neurobiologischen Korrelate. Auch genetische Untersuchungen verweisen oft auf Polymorphismen, die das Risiko für mehrere Krankheitsbilder erhöhen. Eine Forschungsstrategie der letzten Dekade versuchte deshalb, genetische Varianz nicht mit klinisch definierten komplexen Krankheitsbildern zu korrelieren, sondern mit neurobiologisch näherliegenden Variablen wie der Verfügbarkeit von Rezeptoren oder neuronalen Aktivierungsmustern. Wir diskutieren ein Beispiel dieses Ansatzes und zeigen, dass solche intermediären Phänotypen (wie z.B. die neuronale Aktivierung der Amygdala bei Präsentation aversiver Reize) ähnlich wie das manifeste Verhalten vielfältigsten Einflüssen unterliegen und die versprochene Komplexitätsreduktion oft nicht erreichen. Eine alternative Strategie versteht psychische Erkrankungen nicht als separate Einheiten mit eindeutig abgrenzbaren neuronalen Korrelaten, sondern als das Resultat der Interaktion basaler Lernmechanismen (wie des Pavlovschen und operanten Konditionierens) mit komplexen Umweltfaktoren. Die Auswirkungen systematischer Veränderungen einzelner Lernparameter können dann in Tiermodellen computational erfasst und beim Menschen geprüft werden.
Dem Innenleben der Synapsen auf der Spur
Authors: Sigrist Stephan , Wichmann Carolin
Published: April 2017

Chemische Synapsen stellen zentrale Elemente sowohl für Übertragung als auch Speicherung von Informationen in allen Nervensystemen inklusive unseres Gehirns dar. Sie fungieren als schnelle, hochkontrollierte und adaptive Kommunikationsstrukturen, an denen synaptische Vesikel mit spezialisierten Zellmembranen innerhalb von Millisekunden zur Fusion gebracht werden. Diese Leistungen der Synapsen werden durch eine komplexe hochgeordnete Proteinarchitektur (Zytomatrix) ermöglicht, deren Studium bis vor Kurzem eine ausschließliche Domäne der Elektronenmikroskopie war. Drosophila-Synapsen zeigen zum einen eine ausgeprägte Zytomatrix (T-bar) und erlauben gleichzeitig die effektive Anwendung genetischer Techniken beim funktionellen Studium dieser Strukturen. Der Artikel illustriert Prinzip und Anwendung unseres methodischen Spektrums beim Studium der molekularen Architektur von Drosophila-Synapsen. Hierbei spielt das Aufkommen hochauflösender Verfahren modernster Lichtmikroskopie, die in den letzten Jahren die Auflösungsschärfe bis zu 10-fach steigern konnten, eine Schlüsselrolle.
Neurobiologische Grundlagen der Verarbeitung von Anzahlen und Proportionen im Primatengehirn
Authors: Vallentin Daniela , Jacob Simon , Nieder Andreas
Published: April 2017

Die Erfindung von Zahlensymbolen war ein entscheidender Schritt hin zur Entwicklung ausgeprägter mathematischer Fähigkeiten des Menschen, die ihrerseits den wissenschaftlich- technologischen Fortschritt ermöglichten. Vielfältige Studien zeigen, dass das grundlegende Verständnis von Anzahlen und Mengen nicht humanspezifisch, sondern im gesamten Tierreich verbreitet ist. Die Erforschung der neuronalen Grundlagen der numerischen Kognition hat in den letzten Jahren entscheidende Fortschritte erzielt. Bildgebende Verfahren beim Menschen und Einzelzellableitungen bei nicht-humanen Primaten konnten Regionen des Gehirns identifizieren und näher charakterisieren, die eine zentrale Rolle bei der Repräsentation von Quantitäten spielen. Es zeigte sich, dass sich im Stirn- und Scheitellappen der Großhirnrinde Neurone befinden, die auf Anzahlen und Proportionen abgestimmt sind. Quantitäten werden als analoge Größen repräsentiert; dieser Code ist automatisch, unabhängig vom Darstellungsformat und nicht an Sprache gebunden. Diese Befunde legen nahe, dass unser Sinn für Zahlen auf einem phylogenetisch alten Vorläufersystem zur Repräsentation von Quantitäten basiert, dessen Netzwerke im Laufe der Evolution übernommen und weiterentwickelt wurden.
Der Einfluss weitreichender Netzwerke auf die Plastizität der Großhirnrinde
Authors: Greifzu Franziska , Wolf Fred , Löwel Siegrid
Published: April 2017

Neuronale Plastizität gibt unserem Gehirn die Möglichkeit, sich das ganze Leben lang an neue Anforderungen anzupassen. Plastizität im erwachsenen Gehirn ist jedoch oft eingeschränkt und das Lernen mühsamer als in der Jugend. Wir untersuchen mit einer Kombination von Verhaltenstests und einer minimal-invasiven Messung von Hirnaktivität am Modell des Sehsystems von Mäusen, wie sich Lernen und Plastizität mit dem Alter und nach Läsionen verändern und die Struktur und Funktion von Nervenzellnetzwerken modifizieren. Wir hoffen, so nicht nur die Mechanismen von Gehirnentwicklung, Funktion und Lernen besser zu verstehen, sondern auch neue klinisch relevante Ansätze zur Förderung von Regeneration und Rehabilitation nach Hirnschädigungen entwickeln zu können. Unsere bisherigen Untersuchungen haben klare Hinweise für den Einfluss weitreichender Netzwerke auf die Funktion und Plastizität der Hirnrinde erbracht: Sie spielen eine wichtige Rolle für die Entwicklung der funktionellen Architektur der Sehrinde, und Läsionen in einem Hirnareal verändern nicht nur die Funktion des direkt betroffenen Areals, sondern haben über diese Netzwerke auch Auswirkungen auf weiter entfernt liegende Areale, sogar auf der gegenüberliegenden Hirnhälfte.
Wahrnehmung biologischer Bewegung als Bewegung, die sich aus der Form ableitet
Authors: Lappe Markus
Published: April 2017

Für soziale Interaktionen ist das Erkennen von Bewegungen und Handlungen anderer Personen von großer Bedeutung. Das visuelle Abbild, das beim Betrachten von Handlungen anderer auf die Netzhaut projiziert wird, nennt man biologische Bewegung. Aufgrund der vielen Freiheitsgrade des Körpers ist biologische Bewegung ein ziemlich kompliziertes Bewegungsmuster, das wesentlich variabler ist als z.B. optischer Fluss oder eine Objektbewegung. Die Regelmäßigkeiten biologischer Bewegung liegen in ihrer Beziehung zum Körper, d.h. in den Einschränkungen, die die Gelenkung der Extremitäten der Bewegung der Körperteile auferlegt. Daher beinhalten neuronale Mechanismen zur Erkennung biologischer Bewegung Information über die Körperform. Ich beschreibe hier ein Modell für die Wahrnehmung biologischer Bewegung, das mit einer Repräsentation von Körperform und - haltung beginnt und biologische Bewegung als Veränderung der Körperhaltung über die Zeit ableitet. Kurz gesagt schlägt dieses Modell einen ventralen Pfad für Bewegungswahrnehmung vor, der sich von anderen Verarbeitungswegen für Bewegungswahrnehmung im dorsalen Pfad unterscheidet und spezifisch für biologische Bewegung ist.
Schnelle Netzwerkoszillationen im Hippocampus – Phänomene, Mechanismen und offene Fragen zwischen zellulären und systemischen Neurowissenschaften
Authors: Maier Nikolaus , Draguhn Andreas , Schmitz Dietmar , Both Martin
Published: April 2017

Viele neuronale Netzwerke zeigen kohärente rhythmische Aktivität. Diese Netzwerkoszillationen bilden eine zeitliche Referenz für die Aktivität einzelner Neurone und erlauben so die Entstehung raum-zeitlicher Muster mit definierten Phasenbeziehungen von Aktionspotenzialen. Häufig kann ein Kerngebiet des Gehirns verschiedene Rhythmen ausbilden, die sich zeitlich überlagern oder alternativ, je nach funktionellem Zustand des Gehirns isoliert auftreten. In den letzten 20 Jahren wurde der Hippocampus des Säugers zu einem wichtigen Modellsystem für das Studium von Netzwerkoszillationen. Hier wurden grundlegende zelluläre Mechanismen der neuronalen Koordination erarbeitet, zugleich aber auch Modelle entwickelt, wie diese koordinierten Muster zur Entstehung, Konsolidierung und zum Abruf von Gedächtnisinhalten führen. Für die Neurowissenschaften stellen solche räumlich-zeitlichen Aktivitätsmuster in neuronalen Netzwerken eine wichtige Ebene der Analyse dar, die zwischen zellulären Mechanismen und systemischen Funktionen vermittelt. Am Beispiel eines besonders schnellen Oszillationsmusters, der hippocampalen ‚ripples‘, sollen der aktuelle Kenntnisstand der Forschung, aber auch die Fülle der noch offenen Fragen dargestellt werden.
Die Melodie des unreifen Gehirns
Authors: Sieben Kay , Hartung Henrike , Wolff Amy , Hanganu-Opatz Ileana
Published: April 2017

Die Periodizität der Hirnaktivität trat bereits nach dem ersten Aufnahmeversuch durch Hans Berger 1929 hervor, wobei dieser bemerkte: „ das Enzephalogramm stellt eine kontinuierliche Kurve mit fortlaufenden Oszillationen dar“. Diese Rhythmik der neuronalen Aktivität, die „Melodie“ des Gehirns, erlangte seitdem immer mehr Aufmerksamkeit als energieeffiziente Strategie zur Organisation und Kommunikation innerhalb von sowie zwischen Gehirnregionen. Inzwischen ist bekannt, dass diese Oszillationen aktiv an sensorischer und kognitiver Wahrnehmung im adulten Gehirn beteiligt sind, allerdings ist ihre Funktion während der Entwicklung noch größtenteils unerforscht. Neue experimentelle Daten von frühgeborenen menschlichen Säuglingen oder neugeborenen Ratten haben gezeigt, dass das unreife Gehirn bereits verschiedene Aktivitätsmuster generieren kann. Ihre Eigenschaften und die ihnen zugrunde liegenden Mechanismen können je nach Hirnareal unterschiedlich sein. Diese frühen Aktivitätsmuster scheinen die Verfeinerung sowohl der an sensorischer Wahrnehmung beteiligten kortikalen Karten als auch mnemonische und ausführende Verarbeitung zu begünstigen. Hier geben wir einen Überblick über kürzlich veröffentlichte Studien, die frühe oszillatorische Aktivität charakterisieren und deren Bedeutung für die Hirnentwicklung demonstrieren.
Die Kunst des Neuronenschmiedens: Direkte Reprogrammierung somatischer Zellen in induzierte neuronale Zellen
Authors: Karow Marisa , Berninger Benedikt
Published: April 2017

The art of forging neurons: direct reprogramming of somatic cells into induced neu­ronal cells.

Cellular reprogramming has shed new light on the plasticity of terminally differentiated cells and discloses novel strategies for cell-based therapies for neurological disorders. With accumulating knowledge of the programs underlying the genesis of the distinct neural cell types, especially with the identification of relevant transcription factors and microRNAs, reprogramming of somatic cells of different origins into induced neuronal cells or neural stem cells has been successfully achieved. Starting with the general con­cept of reprogramming we discuss here three different paradigms: 1) direct conversion of CNS-foreign cells such as skin fibroblasts into induced neuronal cells or neural stem cells; 2) transdifferentiation of CNS resident cells such as astrocytes and brain pericytes into induced neuronal cells; 3) reprogramming of one neuronal subtype into another. The latter has already been successfully achieved in vivo during early brain develop­ment, providing strong impulse for the attempt to succeed in direct reprogramming in situ for future brain repair.
Das Zusammenspiel von Genotyp und Umwelt bei der Entwicklung von Furcht und Angst
Authors: Sachser Norbert , Lesch Klaus-Peter
Published: April 2017

Individuelle Unterschiede im Furcht- und Angstniveau entwickeln sich bei Mensch und Tier im Laufe der Lebensgeschichte, wobei sowohl genetische als auch Umweltfaktoren an der spezifischen Ausprägung dieser Emotionen beteiligt sind. Bezüglich der Umwelt können belastende Lebensereignisse während der Schwangerschaft der Mutter, wie auch negative Erfahrungen während der Kindheit zu verstärkter Ängstlichkeit im späteren Leben führen. Aus klinischer Sicht ist die Wahrscheinlichkeit für die Entwicklung von Angsterkrankungen dann erhöht. Interessanterweise behalten die Angstschaltkreise im Zentralnervensystem ihre Plastizität bis ins Erwachsenenalter. Entsprechend ist das Angstniveau auch in späteren Phasen des Lebens durch Erfahrungen modifizierbar. Welche Auswirkungen negative Lebensereignisse auf die Entwicklung des Angstphänotyps haben, wird allerdings maßgeblich durch die genetische Disposition des Individuums bestimmt. Besonders gut sind diese Zusammenhänge am Beispiel eines Polymorphismus untersucht, der die Funktion des Serotonintransporter-Gens moduliert. Deshalb fokussiert dieser Übersichtsartikel auf dieses Kandidatengen, um das Zusammenspiel von Genotyp und Umwelt bei der Entwicklung von Furcht und Angst zu erhellen.
Neuropharmakologische funktionelle Bildgebung
Authors: Thiel Christiane
Published: April 2017

Durch Kombination von Psychopharmakologie mit funktioneller Bildgebung kann der Zusammenhang zwischen kognitiven Funktionen und Neurotransmission im menschli­chen Gehirn untersucht werden. Die neuropharmakologische funktionelle Bildgebung stellt auch Sicht der kognitiv-neurowissenschaftlichen Grundlagenforschung eine wertvolle Ergänzung zu tierexperimentellen Studien dar und liefert darüber hinaus wichtige Erkenntnisse für das Verständnis und die Entwicklung pharmakologischer Behandlungsstrategien bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen. Der vorliegende Artikel gibt einen Überblick über die Methodik und illustriert anhand einiger ausgewählter Beispiele aus dem dopaminergen und cholinergen Neurotrans­mittersystem Erkenntnisse und Entwicklungen pharmakologischer funktioneller Magnetresonanztomografie-Studien der letzten Jahre.
Neue Befunde zur Funktion der GABAergen Hemmung während post-läsionaler Reorganisation im visuellen Kortex
Authors: Imbrosci Barbara , Mittmann Thomas
Published: April 2017

Verletzungen des zerebralen Kortex gehören weltweit zu den häufigsten Todesursachen. Die erste Woche post-Insult stellt dabei ein wichtiges Zeitfenster für die spätere Erholung der Patienten dar. Während oft eine spontane und mindestens partielle Erholung der zerebralen Funktionen beobachtet wird, zeigen andere Patienten Komplikationen wie z.B. verzögert entwickelnde Epilepsien. Viele Studien zeigen, dass solche Epilepsien durch komplexe funktionelle Veränderungen in der intrakortikalen neuronalen Hem­mung im Läsionsrandbereich ausgelöst werden können. So können pathophysiologische Änderungen in der GABAergen Hemmung Hirnfunktionen wie neuronale Erregbarkeit, Plastizität und kortikale Netzwerke verändern. Die Optimierung der therapeutischen Strategien erfordert daher auch ein tiefes Verständnis der Läsions-induzierten Verände­rungen in der GABAergen Hemmung auf der zellulären- und Netzwerkebene. In diesem Übersichtsartikel stellen wir einige neuere Studien vor, die sich mit Veränderungen der inhibitorischen synaptischen Übertragung und den verschiedenen Subtypen GABAerger Interneurone nach einer fokalen Gehirnverletzung beschäftigt haben.
Drosophila Hören: Mechanismen und Gene
Authors: Kittelmann Maike , Göpfert Martin
Published: April 2017

Drosophila hearing: mechanisms and genes.

The fruit fly Drosophila melanogaster communicates acoustically and hears with its antennae. Fundamental aspects of hearing can be studied in these antennal ears. Their auditory sensory cells are evolutionarily related with vertebrate hair cells and are developmentally specified by homologous transcription factors. Like vertebrate hair cells, Drosophila auditory sensory cells are also motile and actively amplify the mechanical vibrations that they transduce. This transduction and amplification rely on the interplay between mechanically activated ion channels and motor proteins, whose movement impacts on the macroscopic performance of the ear. First molecular trans­ducer components have been identified and various auditory relevant proteins have been described. Several of these proteins are conserved components of cilia, putting forward the fly’s ear as a model for human ciliopathies. Also the evolution of sensory signalling cascades can be studied using the fly’s ear as the fly employs key Chemo-and Photoreceptor proteins to hear. Evidence is also accumulating that the fly’s ear is a multifunctional sensory organ that, in addition to mediating hearing, serves the detection of wind and gravity and, presumably, temperature.
Simulation of dynamic gas penetrations on fingering behaviors during gas-assisted injection molding
Authors: Hsu Chih-Chung , Huang Chao-Tsai , Chang Rong-Yeu
Published: April 2017

The gas-assisted injection molding (GAIM) process is often adopted to compensate for shrinkage and improve part quality. However, gas penetrations consisting of primary and secondary penetrations will usually induce “fingering” behaviors, in which gas penetrates unevenly inside the parts and may lead to significant reductions in part stiffness. Due to the dynamic instability and complex material properties of fingering behaviors, it is desirable to be able to predict the behaviors with the help of simulation tools. In order to simulate the fingering behaviors, it is necessary to calculate the gas penetrations with a sharp interface between melt and gas, and to incorporate the compressibility of materials with high accuracy. In this study, we present a three-dimensional finite volume method that considers the non-Newtonian compressible flow with a high-resolution interface scheme for simulating the fingering behaviors during the GAIM process. A thin plate case is done to validate the accuracy and the capability of our proposed method to predict the sharp interface for primary and secondary gas penetrations. Then, we present a fish-bone plate with branches to investigate the gas penetrations on fingering behaviors through the dynamic simulation results and the specific volume changes on a pressure-volume-temperature diagram.
Schalllokalisation mit Mikrosekunden-Präzision bei Säugern: Was verstehen wir daran nicht?
Authors: Leibold C. , Grothe Benedikt
Published: April 2017

Das Jeffress - Modell für die Berechnung und neuronale Repräsentation interauraler Zeitdifferenzen (ITDs) ist eines der bekanntesten theoretischen Modelle eines neuronalen Schaltkreises. In Archosauriern (Vögel und Reptilien) scheinen sich auch in der Tat einige Vorhersagen von Jeffress aus 1948 zu bestätigen, wie die topografische Raumkarte und axonale Verzögerungskaskaden. In Säugern sind allerdings die meisten Vorhersagen nicht bestätigt oder sogar widerlegt worden. Dies führte zu einem gegenwärtig andauernden Wettstreit alternativer Modelle und Hypothesen. Insbesondere die Rolle der direkten inhibitorischen Eingänge zu den binauralen Koinzidenzdetektorneuronen der medialen oberen Olive (MSO) wird kontrovers diskutiert. Im vorliegenden Aufsatz fassen wir den gegenwärtigen Wissensstand zusammen und benennen die, unserer Meinung nach essenziellsten Lücken, die einem grundlegenderen Verständnis des neuronalen Mikroschaltkreises bei Säugern noch entgegen stehen. Eine Klärung dieser Fragen verlangt einen integrativen Forschungsansatz der alle neurowissenschaftlichen Ebenen von der Zellbiophysik über das Verhalten bis hin zur Evolution umfasst
Modulation der Funktion von AMPA-Rezeptoren durch auxiliäre Proteine
Authors: Monyer Hannah , Engelhardt J. von , Wichert P. von
Published: April 2017

AMPA -Rezeptoren sind ionotrope Glutamat- Rezeptoren, die für einen großen Teil der schnellen Exzitation im zentralen Nervensystem verantwortlich sind. Ihre Funktion wird uber die Zusammensetzung aus den Untereinheiten GluA1-4, aber auch über Interaktion mit auxiliären Untereinheiten moduliert. In den letzten Jahren hat man durch Proteomanalysen eine Reihe an neuen auxiliären Untereinheiten identifiziert und beginnt, die komplexe Kontrolle der physiologischen Eigenschaften und des Membrantransportes der AMPA -Rezeptoren über diese Proteine zu verstehen. Auxiliäre Untereinheiten wie TARPs, Cornichons und CKAMP44 beeinflussen die Lokalisation der Rezeptoren auf der Zellmembran, modulieren deren Stromeigenschaften und spielen eine Rolle bei synaptischer Kurzzeit- und Langzeitplastizität.
Oligodendrogliale Heterogenität in Zeit und Raum (NG2 Glia im ZNS)
Authors: Dimou L. , Wegner Michael
Published: April 2017

NG2 Glia stellen eine eigenständige neurale Zellpopulation dar, die über die Expression des Proteoglykans NG2 von anderen Zelltypen des zentralen Nervensystems unterschieden werden kann. Wahrend der Ontogenese generieren NG2 Glia Oligodendrozyten und eine Subpopulation von Astrozyten und im erwachsenen Gehirn bilden sie unter physiologischen Bedingungen ausschließlich Oligodendrozyten oder weitere NG2 Glia. Heute ist klar, dass NG2 Glia eine heterogene Population von Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Potenzial darstellen. In diesem Übersichtsartikel diskutieren wir zuerst die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen NG2 Glia im jungen und erwachsenen Gehirn und beschreiben dann molekulare Regulationsmechanismen in NG2 Glia, um anschließend auf die Heterogenität unter physiologischen und pathologischen Bedingungen einzugehen.
Lernen von Hirnkontrolle – Klinische Anwendung von Brain-Computer Interfaces
Authors: Birbaumer Niels , Chaudhary Ujwal
Published: April 2017

Brain-Computer Interfaces (Gehirn-Computer -Schnittstellen, BCI) nutzen neuroelektrische und metabolische Hirnaktivität, um periphere Geräte und Computer ohne Vermittlung des motorischen Systems zu bedienen. Um die Gehirn-Computer-Schnittstelle zu aktivieren, müssen die Personen ein gewisses Ausmaß an Hirnkontrolle erlernen. Es zeigte sich, dass die Selbstkontrolle der Hirnaktivität den Prinzipien des Fertigkeiten-Lernens und des instrumentellen Konditionierens folgt. Diese Übersicht konzentriert sich auf die klinische Anwendung von Gehirn-Computer-Schnittstellen bei gelähmten Patienten mit Lockedin Syndrom und/oder vollständigem Lockedin Syndrom (CLIS). Es wurde gezeigt, dass EEG-basierte Gehirn-Computer-Schnittstellen die Auswahl von Buchstaben und Wörtern in einem Computermenü mithilfe verschiedener EEG-Signale ermöglichen. Bei Patienten mit vollständigem Lockedin Syndrom ohne jede Muskelkontrolle, insbesondere der Augenbewegungen, waren EEG-basierte Gehirn- Computer-Schnittstellen jedoch nicht erfolgreich. Sogar nach der Implantatation von Elektroden in das Gehirn waren CLIS-Patienten nicht in der Lage, zu kommunizieren. Wir entwickelten ein theoretisches Modell, das dieses grundlegende Defizit des instrumentellen Lernens der Hirnkontrolle und der willentlichen Kommunikation erklärt: Patienten mit vollständiger Lähmung löschen zielgerichtetes reaktionsorientiertes Denken und Absichten. Daher wurde ein reflexives klassisches Konditionierungsverfahren entwickelt und mithilfe der Messung der metabolischen Hirnsignale mit Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIRS) waren CLIS-Patienten in der Lage, einfache Fragen mit einer „ja“- oder „nein“-Hirnantwort zu beantworten. Die bisher erhobenen Daten zeigen, dass erstmals CLIS-Patienten mit einem solchen BCI-System kommunizieren können, indem sie metabolische Hirnsignale und einfache reflexive Lernaufgaben verwenden.

Schließlich werden Gehirn-Maschine- Schnittstellen und Rehabilitation bei chronischem Schlaganfall beschrieben und gezeigt, dass chronische Schlaganfallpatienten ohne jede Restbewegung der oberen Extremität eine erstaunliche Wiederherstellung der motorischen Funktion sowohl auf der motorischen als auch auf neuronaler Ebene mit BCI erreichen können. Nach umfangreichem BCITraining kombiniert mit verhaltensorientierter Physiotherapie konnte eine signifikante Verbesserung der motorischen Funktion bei dieser bisher unbehandelbaren Lähmung en erreicht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die klinischen Anwendungen von Gehirn-Maschine-Schnittstellen bei gut definierten und umschriebenen neurologischen Erkrankungen überraschend positive Wirkungen gezeigt haben. Die Anwendung von Gehirn- Computer-Schnittstellen bei psychiatrischen und klinisch-psychologischen Störungen hat bisher jedoch nicht zu einer wesentlichen Verbesserung dieser komplexen Verhaltensstörungen geführt.
Neuronale Kontrolle des Laufens – Einblicke aus Untersuchungen an Insekten
Authors: Büschges Ansgar , Schmidt Joachim
Published: April 2017

Die Kontrolle des Laufens bei Insekten ist ganz wesentlich eine Aufgabe neuronaler Netzwerke in den thorakalen Ganglien. Während absteigende Signale aus den Kopfganglien eher globale Kommandos vorgeben, z. B. zu Laufrichtung und Geschwindigkeit, werden im thorakalen ZNS Bewegungen einzelner Gelenke und der Beine insgesamt kontrolliert. Die Koordinationsmuster der Beine verändern sich geschwindigkeitsabhängig, ein eindeutiges stereotypes Koordinationsmuster jedoch fällt nur bei hohen Geschwindigkeiten auf. Ganz im Sinne des Unit-Burst- Oscillator-Konzepts kontrollieren oszillatorische Netzwerke (CPG, central pattern generator), in enger Verzahnung mit Bewegungsund Belastungsrezeptoren der Beine, die zeitlichen Parameter und Amplituden der Bewegungen einzelner Gelenke. Für Beinbewegungen sind verschiedene Gelenk-CPGs eines Beins im Wesentlichen über Propriozeptoren gekoppelt. Durch eine differenzielle Verarbeitung propriozeptiver Signale werden Beinbewegungen aufgabenspezifisch modifiziert, etwa für Laufrichtungswechsel. Lokaler neuronaler Kontrolle unterliegt der Wechsel zwischen Lauf- und Suchbewegungen eines Beins. Durch fehlende sensorische Eingänge, z. B. bei einem Tritt ins Leere, werden durch Aktivierung eines lokalen Kommandoneurons stereotype Suchbewegungen des Beins ausgelöst.