Forschende des Carl-Ludwig-Instituts der Universität Leipzig haben entdeckt, dass die Signalübertragung zwischen Nervenzellen in der Großhirnrinde bereits bei geringen Kalziumkonzentrationen zuverlässig funktioniert – im Gegensatz zum hinteren Hirnbereich. Diese Erkenntnisse, veröffentlicht im Fachjournal Science, erweitern das Verständnis des gesunden Gehirns und könnten die Entwicklung neuronaler Netzwerke in der Computerindustrie vorantreiben.

Im Kortex, der „grauen Hirnmasse“, verarbeiten etwa 100 Milliarden Neuronen Sinneseindrücke, Gedanken und Gefühle. Die Kommunikation erfolgt über Synapsen, wo Kalzium-Ionen an Sensorproteine binden und Neurotransmitter freisetzen, die elektrische Signale in Empfängerzellen auslösen. „Die Signalübertragung im Kortex ist deutlich zuverlässiger als in anderen Hirnregionen“, erklärt Prof. Dr. Hartmut Schmidt, Studienleiter am Carl-Ludwig-Institut. Entscheidend ist das Sensorprotein Synaptotagmin 1, das bereits bei niedrigen Kalziumkonzentrationen reagiert – anders als Synaptotagmin 2 im hinteren Hirnbereich. „Das macht kortikale Synapsen nicht nur zuverlässig, sondern auch plastisch, was Anpassungsfähigkeit ermöglicht“, so Schmidt.

Die Studie, gefördert von DFG und ERC, untersuchte Mäusezellen im somatosensorischen Kortex mittels Patch-Clamp-Technik, UV- und Zwei-Photonen-Laser-Mikroskopie sowie einem neuen Verfahren namens „axon walking“, das aktive Synapsen präzise lokalisiert. Ein mathematisches Modell für Synaptotagmin 1 wurde erstellt, das anderen Forschungsgruppen zugänglich ist. „Diese Erkenntnisse könnten Therapien für Hirnerkrankungen unterstützen und neuronale Netzwerke in der Technik verbessern“, sagt Schmidt. Weitere Studien sollen Unterschiede innerhalb des Kortex klären.

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