Das Gehirn wach und Schlaf-schwimmt in elektrische Aktivität, und nicht nur aus den einzelnen Pings von einzelnen Neuronen miteinander kommunizieren. In der Tat ist das Gehirn umhüllt unzählige Überschneidungen elektrischen Feldern, durch die neuronalen Schaltkreise des Scores zu kommunizieren Nervenzellen erzeugt. Die Felder waren einst gedacht, um eine "Begleiterscheinung" ähnlich dem Klang des Herzens macht-was nützlich der Kardiologe die Diagnose einer fehlerhaften Herzschlag ist, sondern dient keinem Zweck, den Körper, sagt Christof Koch, der Lois und Victor Tröndle Professor für Kognitions-und Verhaltensbiologie und Professor für Computerwissenschaften und neuronale Systeme am California Institute of Technology (Caltech).

Neue Arbeiten von Koch und Neurowissenschaftler Costas Anastassiou, ein Postdoc-Stipendiat in der Biologie, und seine Kollegen weisen jedoch darauf hin, dass die Felder noch viel mehr tun und dass sie in der Tat, stellen eine zusätzliche Form der neuronalen Kommunikation.

"Mit anderen Worten", sagt Anastassiou, der führende Autor des Papiers über die Arbeit erscheint in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience ", während aktiven Neuronen Anstieg der extrazellulären Bereichen geben, die gleichen Felder zurück in die Neuronen ernähren und verändern ihr Verhalten," auch wenn die Neuronen sind nicht direkt ein Phänomen wie ephaptic (oder Feld)-Kopplung bekannt verbunden. "Bisher hat neuronale Kommunikation gedacht worden, um fast vollständig erfolgen über Verkehrs von Synapsen, den Kontaktstellen, wo einem Neuron zum nächsten verbindet. Unsere Arbeit schlägt ein zusätzliches Mittel der neuronalen Kommunikation durch den extrazellulären Raum unabhängig von Synapsen."


Extrazelluläre elektrische Felder existieren in der gesamten lebenden Gehirn. Ihre fernen Echos außerhalb des Schädels als EEG-Wellen gemessen werden. Diese Felder sind besonders stark und robust repetitive in bestimmten Hirnregionen wie dem Hippocampus, die bei der Gedächtnisbildung beteiligt ist, und der Neocortex, dem Bereich, wo langfristige Erinnerungen gehalten werden. "Die ewigen Schwankungen dieser extrazellulären Felder sind das Markenzeichen der Lebens-und Verhaltensweisen Gehirn in allen Organismen, und ihre Abwesenheit ist ein starker Indikator für einen tief komatösen oder sogar tot, Gehirn", erklärt Anastassiou.

Zuvor angenommen Neurobiologen, dass die Felder beeinträchtigen und sogar Controlling-neuronale Aktivität nur bei schweren Krankheitszuständen wie epileptische Anfälle, die sehr starken Feldern zu induzieren. Nur wenige Studien hatten jedoch tatsächlich die Auswirkungen der weit schwächer, aber sehr häufig-nicht-epileptischen Felder bewertet. "Der Grund ist einfach", sagt Anastassiou. "Es ist sehr schwer zu einem in vivo Experiment Verhalten in der Abwesenheit von extrazellulärem Felder" zu beobachten, was ändert sich, wenn die Felder nicht herum.

Um diese Effekte herauskitzeln, Anastassiou und seine Kollegen auf starke, aber langsam oszillierenden Felder konzentrieren, rief lokale Feld Potentiale (LFP), die von neuronalen Schaltkreisen von wenigen Rattenhirn Zellen zusammengesetzt ergeben. Messung dieser Felder und deren Wirkungen erforderlich Positionierung eines Clusters von winzigen Elektroden in einem Volumen entspricht dem von einer einzigen Zelle Körper-und in einer Entfernung von weniger als 50 Millionstel eines Meters voneinander, das ist etwa der Breite eines menschlichen Haares.

"Weil es war so schwer, Position, dass viele Elektroden innerhalb einer so kleinen Volumen des Hirngewebes, die Ergebnisse unserer Forschung wirklich neu sind", sagt Anastassiou. Zuvor erklärt er, "niemand gelungen war, dieses Maß an räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erreichen."

Eine "unerwartete und überraschende Erkenntnis war, wie bereits sehr schwach extrazellulären Felder können neuronale Aktivität zu verändern", sagt er. "Zum Beispiel wurde beobachtet, dass Felder so schwach wie ein Volt pro Meter robust verändern die Spikeaktivität [Brennen] von einzelnen Neuronen, und erhöhen die so genannte" spike-Bereich Kohärenz ""-die Synchronität, mit der Neuronen feuern. "Inside the Gehirn von Säugetieren wissen wir, dass extrazelluläre Felder können leicht überschreiten zwei vor drei Volt pro Meter. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass unter solchen Bedingungen, dass dieser Effekt stark ausgeprägt ist."

Was bedeutet das für Gehirn Berechnung bedeuten? An dieser Stelle können wir nur spekulieren, sagt Koch, "aber ein solches Feld Effekte erhöhen die Synchronität mit der Neuronen aktiv zusammen. Diese an sich verbessert die Fähigkeit dieser Neurone zu ihrem Ziel zu beeinflussen und ist wahrscheinlich eine wichtige Mitteilung und Berechnung Strategie eingesetzt durch das Gehirn. "

Können externe elektrische Felder haben ähnliche Auswirkungen auf das Gehirn? "Das ist eine interessante Frage", sagt Anastassiou. "In der Tat schreibt der Physik, dass jede äußere Feld werden die neuronalen Membran. Wichtig ist aber, die Wirkung von außen auferlegte Felder auch auf das Gehirn Zustand hängt Auswirkungen. Man könnte denken, das Gehirn als eine verteilte Computer-nicht alle Hirnregionen zeigen die Niveau der Aktivierung zu allen Zeiten.

"Ob eine von außen auferlegte Feld wird Auswirkungen auf die Hirnregion ist gezielt das Gehirn hängt auch davon ab", sagt er. "Während epileptische Anfälle, die hypersynchronized Aktivität von Neuronen können Feld erzeugen so stark wie 100 Volt pro Meter, und solchen Bereichen haben gezeigt, dass stark mitzureißen neuronale Feuern und führen zu super-synchronisierte Staaten." Und dass elektrische Feld Aktivität selbst schlägt vor äußeren Felder in bestimmten Hirnregionen, die während bestimmter Zustände des Gehirns, können starke kognitive und Verhaltensveränderungen.

Letztlich würde Anastassiou, Koch und ihre Kollegen gerne testen, ob ephaptic Kopplung menschlichen kognitiven Verarbeitung betrifft, und unter welchen Umständen. "Ich glaube fest daran, dass das Verständnis der Entstehung und Funktion des endogenen Gehirn Felder auf mehrere Enthüllungen über die Informationsverarbeitung an der Strecke Ebene, die, meiner Meinung nach, ist die Ebene, auf der Wahrnehmungen und Vorstellungen entstehen zu führen", sagt Anastassiou. "Dies wiederum führt uns zu befassen, wie Biophysik Aufstieg zur Erkenntnis in eine mechanistische Weise gibt und dass, glaube ich, ist der heilige Gral der Neurowissenschaften."

Die Arbeit in der Zeitung "Ephaptic Kopplung von kortikalen Neuronen", veröffentlicht im Januar 16 im Voraus Online-Ausgabe der Zeitschrift, wurde vom Engineering Physical Sciences Research Council, der Sloan-Swartz Foundation, der Swiss National Science Foundation, der EU unterstützt Synapse , der National Science Foundation, die Mathers Foundation und der National Research Foundation of Korea.