Dendriten: Der Beginn einer neurowissenschaftlichen Revolution?

23. Juni 2019
Neuere neurowissenschaftliche Forschungen haben gezeigt, dass Dendriten viel mehr sind als nur passive Reizleiter. Dendriten erzeugen ihre eigenen elektrischen Signale. Diese Erkenntnis kann der Ausgangspunkt für eine neurowissenschaftlichen Revolution sein.

Seit vielen Jahren versuchen Neurowissenschaftler mit verschiedenen Methoden, die „Gespräche“ zwischen Neuronen abzuhören. So wie Linguisten fremde Sprachen entschlüsseln, versuchen Wissenschaftler, neuronale Reizmuster zu entziffern. Deshalb sind Dendriten (Zellfortsätze von Nervenzellen) in der neurowissenschaftlichen Forschung von großer Bedeutung.

Die neuesten Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass die Neurowissenschaften bis jetzt nur oberflächlich verstanden hatten, was unser Gehirn leistet.

Aber Wissenschaftler der University of California haben eine verborgene Schicht eines neuronalen Kommunikationsnetzwerks entdeckt, das durch Dendriten gesteuert wird. Das bedeutet, dass die Kapazität unseres Gehirns bis zu 100 Mal größer sein könnte, als wir bisher angenommen haben.

Diese Entdeckung kann die Grundlagen der bisherigen Neurowissenschaften verändern. Bis vor wenigen Monaten ging man davon aus, dass Dendriten ein „passives Kabelnetzwerk“ bilden. Das heißt, Forscher glaubten, dass sie nur elektrische Signale an den Zellkörper, auch Soma genannt, weiterleiten.

Die neue Forschung hat jedoch gezeigt, dass diese Zellfortsätze weit mehr sind als nur passive Leiter. Sie erzeugen elektrische Signale, die fünfmal größer und häufiger sind als bei Neuronen.

Das neuronale Netzwerk, das wir im Gehirn finden.

Was bedeutet diese Entdeckung über Dendriten?

Unter anderem kann diese Entdeckung bedeuten, dass Dendriten an unseren Lernprozessen viel stärker beteiligt sind als bisher gedacht. 

Konventionelle Neurowissenschaften haben argumentiert, dass die elektrischen Signale, die Zellkörper aussenden, die Grundlage unserer kognitiven Fähigkeiten sind.

Aber jetzt wissen wir auch, dass die Zellfortsätze der Nervenzellen, die Dendriten, keine rein passive Funktion haben. Tatsächlich senden sie auch eigene elektrische Signale aus.

Forscher entdeckten auch, dass Dendriten sich intelligent verhalten. Mit anderen Worten, Dendriten können ihre elektrischen Signale im Laufe der Zeit anpassen. Bisher haben Wissenschaftler diese Art der Plastizität nur in neuronalen Körpern beobachtet. Diese Entdeckung legt den Schluss nahe, dass Dendriten von selbst lernen können.

Da Dendriten viel aktiver sind als Zellkörper, können wir vermuten, dass viele der in einem Neuron erzeugten Informationen auf Dendritenebene liegen. Das heißt, Dendriten können als Recheneinheit fungieren und Informationen verarbeiten. Diese eine Eigenständigkeit hatten Forscher nicht vermutet.

„Es ist, als würde man plötzlich feststellen, dass Kabel, die zur CPU unseres Computers führen, auch Informationen verarbeiten können – völlig bizarr und etwas umstritten.“

Dr. Mayank R. Mehta

Die Kapazität des Gehirns

Das Forschungsteam um Dr. Mayank R. Mehta entwickelte ein Verfahren, um Elektroden in der Nähe von Dendriten zu platzieren. Für diesen Versuch nutzte das Team Laborratten.

Das Verfahren ermöglichte es dem Team, elektrische Signale des Tieres zu erfassen und aufzuzeichnen, während sie wach waren und ihre täglichen Aktivitäten ausführten und während die Labortiere schliefen. An vier aufeinanderfolgenden Tagen konnte das Team, den elektrischen Aktivitäten von Dendriten zuhören.

Die Wissenschaftler implantierten die Elektroden in den hinteren Parietalcortex der Versuchstiere. Sie schlussfolgerten, dass die elektrischen Signale beim Einschlafen der Tiere unregelmäßigen Wellen ähneln. Die Wissenschaftler entdeckten auch in jeder der Wellen, die sie aufzeichneten, Spitzen.

Anders gesagt, während die Ratten schliefen, kommunizierten ihre Dendriten. Sie taten dies mit elektrischen Impulsen, die bis zu fünfmal schneller waren als die der Zellkörper. Wenn die Ratten wach waren, wurden die elektrischen Impulse der Dendriten zehnmal schneller übermittelt.Gehirn mit seinen Spalten und Furchen - Dendriten sind ein Teil unseres Gehirns.

Dendriten und das Hier und Jetzt

Eine weitere spannende Erkenntnis, die die Forscher bei ihrem Experiment machten, war bedingt durch die Art der Signale, die die Dendriten erzeugen.

Die elektrischen Signale der Dendriten könnten digital sein, sie zeigten aber auch große Schwankungen, fast doppelt so groß wie die Signale, die im Rückenmark verarbeitet werden.

Dies bedeutet, dass diese Zellfortsätze die Fähigkeit zur analogen Rechenaktivität zu haben scheinen. Diese Fähigkeit hatten Wissenschaftler zuvor noch nicht in einem neuronalen Aktivitätsmuster gesehen.

Die dendritische Rechenaktivität scheint mit Zeit und Raum zusammenzuhängen. Durch die Beobachtung der Ratten in einem Labyrinth konnten die Forscher zwei Arten von Signalen unterscheiden.

Ein Signal kam aus dem Zellkörper, aufgezeichnet in Form einer Spitze, als Vorwegnahme eines Verhaltens. In diesem Fall wurde das Signal kurz vor einer Kurve aufgezeichnet. In der Zwischenzeit sendeten die Dendriten nur Signale, wenn das Tier tatsächlich um die Ecke bog.

Es scheint, dass die Neurowissenschaft die Rechenleistung unterschätzt hat, zu der unser Gehirn fähig ist. Da Dendriten hundertmal größer sind als Somata, können wir davon ausgehen, dass das Gehirn tatsächlich hundertmal mehr Verarbeitungskapazität hat. Es scheint, dass Neuronen nicht mehr die grundlegende Recheneinheit unseres Gehirns sind.

Moore, J. J., Ravassard, P., Ho, D., Acharya, L., Kees, A., Vuong, C., & Mehta, M. R. (2016). Dynamics of Cortical Dendritic Membrane Potential and Spikes in Freely Behaving Rats. bioRxiv. https://doi.org/10.1101/096941