Ein vielfältiges Leben fördert funktionelle Gehirnnetzwerke

Die Auswirkungen dieser Erfahrungen auf die Gehirnkonnektivität sind schon seit Längerem bekannt, doch eine bahnbrechende Studie von Forschern des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) und der TU Dresden zeigt nun, wie groß diese Auswirkungen tatsächlich sind. Die Ergebnisse an Mäusen liefern beispiellose Einblicke in die Komplexität großer neuronaler Netzwerke und die Plastizität des Gehirns. Darüber hinaus könnten sie den Weg für neue, vom Gehirn inspirierte KI-Methoden ebnen. Die auf innovativer „Brain-on-a-Chip“-Technologie basierenden Erkenntnisse werden in der Fachzeitschrift Biosensors and Bioelectronics veröffentlicht.

Die Dresdner Forscher gingen der Frage nach, wie sich reiche Erfahrung auf Gehirnschaltkreise auswirkt. Zu diesem Zweck setzten sie einen sogenannten Neurochip mit mehr als 4.000 Elektroden ein, um die elektrische Aktivität von Gehirnzellen zu erfassen. Diese innovative Plattform ermöglichte es, das „Feuer“ Tausender Neuronen gleichzeitig aufzuzeichnen. Der untersuchte Bereich – viel kleiner als die Größe eines menschlichen Fingernagels – umfasste den gesamten Hippocampus einer Maus. Diese vom Menschen geteilte Gehirnstruktur spielt eine entscheidende Rolle beim Lernen und Gedächtnis und ist daher ein Hauptziel für Demenzerkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit. In ihrer Studie verglichen die Wissenschaftler Gehirngewebe von Mäusen, die unterschiedlich aufgezogen wurden. Während eine Gruppe von Nagetieren in Standardkäfigen aufgezogen wurde, die keine besonderen Reize boten, wurden die anderen Gruppen in einer „bereicherten Umgebung“ gehalten, die umbaubares Spielzeug und labyrinthartige Plastikröhren umfasste.

„Die Ergebnisse übertrafen unsere Erwartungen bei weitem“, sagte Dr. Haider Amin, der leitende Wissenschaftler der Studie. Amin, Experte für Neuroelektronik und Computational Neuroscience, leitet eine Forschungsgruppe am DZNE. Er und sein Team entwickelten die Technologie und Analysetools, die in dieser Studie verwendet wurden. Vereinfacht könnte man sagen, dass die Neuronen von Mäusen aus der angereicherten Umgebung stärker miteinander verbunden waren als die aus der Standardhaltung. Unabhängig davon, welchen Parameter wir betrachteten, stärkte die reichhaltigere Erfahrung die Verbindungen in den neuronalen Netzwerken buchstäblich. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Leading an Ein aktives und abwechslungsreiches Leben prägt das Gehirn auf völlig neue Weise.

Beispiellose Einblicke in Gehirnnetzwerke

Professor Gerd Kemperman, Co-Leiter der Studie und sich mit der Frage beschäftigt, wie körperliche und kognitive Aktivität dem Gehirn hilft, seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Alterung und neurodegenerativen Erkrankungen zu stärken, bezeugt: „Alles, was wir bisher auf diesem Gebiet wissen, haben wir entweder aus anderen Quellen oder aus anderen Quellen gewonnen.“ Studien mit einzelnen Elektroden oder bildgebenden Verfahren wie MRT. Die räumliche und zeitliche Auflösung dieser Techniken ist viel gröber als unser Ansatz. Hier können wir Schaltkreise buchstäblich in Aktion sehen, bis hin zur Skala einzelner Zellen. Wir haben fortschrittliche Rechenwerkzeuge angewendet, um eine zu extrahieren Wir haben aus unseren Aufzeichnungen eine enorme Menge an Details über die Netzwerkdynamik in Raum und Zeit gewonnen.“

„Wir haben eine Fülle von Daten entdeckt, die die Vorteile eines durch reiche Erfahrung geprägten Gehirns belegen. Dies ebnet den Weg für das Verständnis der Rolle von Plastizität und Reservebildung im Kampf gegen neurodegenerative Erkrankungen, insbesondere im Zusammenhang mit neuartigen Präventionsstrategien“, sagte Professor Kemperman, der neben seiner wissenschaftlichen Tätigkeit am DZNE auch dem Zentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) der TU Dresden angehört. „Außerdem wird dies dazu beitragen, Einblicke in Krankheitsprozesse zu gewinnen, die mit Neurodegeneration einhergehen, beispielsweise Funktionsstörungen in Gehirnnetzwerken.“

Potenzial in der vom Gehirn inspirierten künstlichen Intelligenz

„Indem wir aufdecken, wie Erfahrungen das Netzwerk und die Dynamik des Gehirns prägen, verschieben wir nicht nur die Grenzen der Hirnforschung“, sagt Dr. Amin. „Künstliche Intelligenz ist davon inspiriert, wie das Gehirn Informationen berechnet. Daher können unsere Werkzeuge und die Erkenntnisse, die sie generieren, den Weg für neue Algorithmen des maschinellen Lernens ebnen.“

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Über das Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE): Das DZNE ist ein von Bund und Ländern gefördertes Forschungsinstitut mit zehn Standorten in ganz Deutschland. Es ist für Erkrankungen des Gehirns und des Nervensystems wie Alzheimer, Parkinson und Amyotrophe Lateralsklerose vorgesehen, die mit Demenz, Bewegungsstörungen und anderen schwerwiegenden Gesundheitsbeeinträchtigungen einhergehen. Bis heute gibt es keine Heilung für diese Krankheiten, die eine enorme Belastung für die unzähligen Betroffenen, ihre Familien und das Gesundheitssystem darstellen. Ziel des DZNE ist es, neue Strategien zur Prävention, Diagnose und Pflege sowie Behandlung zu entwickeln und in die Praxis zu übertragen. Zu diesem Zweck kooperiert das DZNE mit Universitäten, Universitätskliniken, Forschungszentren und anderen Institutionen im In- und Ausland. Das Institut ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und den Deutschen Zentren der Gesundheitsforschung angeschlossen. www.dzne.de/de

Über das Zentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD): Das Zentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) der Universität Dresden ist eine akademische Heimat für Wissenschaftler aus mehr als 30 Ländern. Ihre Mission ist es, die Prinzipien der Zell- und Geweberegeneration zu entdecken und diese zur Erkennung, Behandlung und Heilung von Krankheiten zu nutzen. CRTD verbindet die Praxis mit der Klinik, Wissenschaftlern und Klinikern, um Fachwissen in den Bereichen Stammzellen, Entwicklungsbiologie, Genbearbeitung und Regeneration zu bündeln und so innovative Therapien für neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson, Blutkrankheiten wie Leukämie und Stoffwechselerkrankungen wie z Diabetes sowie Knochen- und Netzhauterkrankungen.

Das CRTD wurde 2006 als Forschungszentrum der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gegründet und bis 2018 als DFG-Forschungszentrum sowie als Exzellenzgruppe gefördert. Seit 2019 wird das CRTD von der TU Dresden und dem Freistaat Sachsen gefördert.

Das CRTD ist eines von drei Instituten, die dem Central Scientific Facility Center for Molecular and Cellular Bioengineering (CMCB) der TU Dresden angeschlossen sind.

www.tu-dresden.de/cmcb/crtd / www.tu-dresden.de/cmcb