Auch bei der Übertragung von Nervensignalen gibt es ein Hintergrundrauschen. Ein deutsch-französisches Forscherteam hat nun nachgewiesen, dass dieses Rauschen die Aktivität von Neuronen nicht nur fördern, sondern auch hemmen kann. Die Erkenntnisse lassen sich auch auf andere Systeme mit ähnlicher dynamischer Struktur übertragen, wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Physical Review E of the American Physical Society“ berichten.
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Beim Fernsehen ebenso wie in der Telefonleitung – im täglichen Leben ist Rauschen bei der Informationsübertragung fast immer störend. Bestimmte dynamische Systeme jedoch können von unspezifischen Hintergrundsignalen auch profitieren: Wie sich in jüngerer Zeit herausgestellt hat, kann Rauschen die Aktivität dieser Systeme deutlich verstärken und dadurch einen positiven Effekt auf die Informationsverarbeitung ausüben. Dieser Effekt ist sehr ausgeprägt bei einer bestimmten Rauschstärke und schwächt sich dann wieder ab. Das als Stochastische Resonanz beschriebene Phänomen haben Wissenschaftler in zahlreichen physikalischen und biologischen Systemen beobachtet.
Rauschen im nichtlinearen Modellsystem
Dass aber auch genau das Gegenteil möglich ist, hat nun eine Forschergruppe unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Mathematik in den Naturwissenschaften gezeigt. Um neuronale Aktivitäten zu modellieren, untersuchten die Forscher die Effekte von Rauschsignalen auf das periodische Feuern in einem nichtlinearen System.
Die Forscher verwendeten dazu ein klassisches Modellsystem aus der Neurophysik, das sogenannte Hodgin-Huxley-Modellneuron. Dieses Modell, das aus einem System von vier einfachen oder partiellen Differentialgleichungen besteht, liefert die theoretische Erklärung für die Aktionspotentiale der Neuronen beziehungsweise das neuronale Feuern. Das Verhalten des Neurons wurde mit Hilfe dieses Modells in Abhängigkeit von der Stärke des eingegebenen Rauschsignals untersucht.
Erst hemmen, dann aktivieren
Dabei fanden die Wissenschaftler heraus, dass kleine Rauschamplituden die Aktivität der Neuronen bis zu einem kritischen Punkt hemmen und sich die Zahl ausgesendeter Signale als Funktion des Rauschpegels auf ein Minimum zu bewegt. Stärkeres Rauschen hingegen führte zum Wiedereinsetzen des neuronalen Feuerns, und das Neuron wurde sogar aktiver als ohne Rauschen.
Simulationen mit unterschiedlichen Anfangsbedingungen oder Variationen des Zeitpunkts, zu dem das Rauschen einsetzte, lieferten ähnliche Ergebnisse. Die Effekte traten nicht nur dann auf, wenn die elektrische Spannung des Neurons durch das Rauschen direkt beeinflusst wurde, sondern auch, wenn das Rauschsignal über eine Synapse von einem anderen Neuron übertragen wurde. „Diese Beobachtungen bestätigen, dass unsere Befunde sehr robust sind und allgemeine Gültigkeit haben“, erklärt Jürgen Jost vom Leipziger Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften. „Sie gelten nicht nur in neuronalen Systemen, sondern auch in anderen Bereichen mit ähnlicher dynamischer Struktur.“
Experimente mit regelmäßig feuernden Nervenzellen, die einem Rauschsignal ausgesetzt waren, bestätigten die theoretische Voraussage: Bei einem ganz bestimmten Rauschpegel sank die neuronale Aktivität auf ein Minimum ab. Die Wissenschaftler beschriebenen das Phänomen als Inversive Stochastische Resonanz.
(Max-Planck-Gesellschaft, 14.10.2009 – NPO)
