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Neuronen, jene essenziellen Nervenzellen, arbeiten sowohl individuell als auch in Netzwerken zusammen. Entgegen einer weit verbreiteten Annahme ist ihre Aktivität nicht ausschließlich auf bestimmte Aufgaben fokussiert. Tatsächlich werden lediglich 40 % des neuronalen Aufwands hierfür aufgewendet, während der Rest zur kollektiven Koordination beiträgt. Diese Entdeckung stellt die klassische Sicht der Gehirnaktivität infrage.
Dank der Kalziumbildgebung, einer neuartigen Technik, die fluoreszierende Sensoren verwendet, die auf unterschiedliche Kalziumspiegel reagieren, konnten Wissenschaftler das Verhalten tausender Neuronen in Echtzeit beobachten. Dieser technologische Fortschritt ermöglichte die Analyse von Signalen, die zuvor unzugänglich waren, und eröffnete ein neues Fenster zur neuronalen Dynamik.
Die in Cell veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass die Neuronenaktivität einer fraktalen Struktur folgt. Diese hierarchische Organisation, bei der jede Ebene die vorhergehenden und nachfolgenden Ebenen widerspiegelt, optimiert den Informationsfluss im Gehirn. Diese Strategie vereint Effizienz und Widerstandsfähigkeit, ein entscheidendes Gleichgewicht, um sich an ständig wechselnde Umgebungen anzupassen.
Über den Menschen hinaus wurde diese fraktale Struktur bei so unterschiedlichen Spezies wie Fruchtfliegen, Zebrafischen, Mäusen, Affen und sogar Nematoden beobachtet. Trotz mehr als einer Milliarde Jahre Evolution, die diese Organismen trennt, deutet das Fortbestehen dieser Organisation auf ein universelles Prinzip der Informationsverarbeitung hin.
Die von dem Forscherteam durchgeführten Computersimulationen bestätigten, dass diese fraktale Hierarchie die Anpassungsfähigkeit des Gehirns fördert. Indem es die neuronale Koordination kontinuierlich anpasst, hält das Gehirn ein feines Gleichgewicht: stabil genug, um tiefgehend zu denken, und dennoch beweglich genug, um schnell zu reagieren.
Bei Zebrafischen beispielsweise ermöglicht diese Organisation ein gleichmäßiges Schwimmen auch unter veränderten Bedingungen. Bei Mäusen sorgt sie für eine präzise Sicht, indem sie spezifische neuronale Codes auf Zellebene aktiviert, obwohl dies sie anfälliger für Störungen machen kann.
Die Studie schlägt vor, dass diese Aufteilung der Bemühungen – zur Hälfte Zusammenarbeit, zur Hälfte individuelle Arbeit – über den Bereich des Gehirns hinausgeht. Dieses Prinzip könnte auf andere komplexe Systeme angewendet werden, sei es biologisch oder künstlich. Forscher sehen darin einen Schlüssel, um zu verstehen, wie Netzwerke, ob natürlich oder vom Menschen geschaffen, Effizienz und Widerstandsfähigkeit vereinen können.
Was ist eine fraktale Hierarchie im Gehirn?
Eine fraktale Hierarchie ist eine Organisation, bei der jedes Element eines Systems die Merkmale der über- und untergeordneten Ebenen widerspiegelt. Im Gehirn bedeutet dies, dass sich Neuronen in verschachtelten Netzwerken organisieren, wobei jede Stufe die globale Struktur nachbildet.
Dieses Modell optimiert die Informationsübertragung. Kleine Netzwerke übernehmen spezifische Aufgaben, während größere Gruppen die globale Koordination sicherstellen. So kann das Gehirn effizient arbeiten und dennoch anpassungsfähig bleiben.
Die fraktale Hierarchie findet sich bei verschiedenen Spezies, von Zebrafischen bis zu Menschen. Sie scheint somit ein grundlegendes evolutionäres Prinzip zur Informationsverarbeitung zu sein.
Diese Organisation bietet einen entscheidenden Vorteil: Sie sorgt für ein Gleichgewicht zwischen Stabilität und Flexibilität, wodurch das Gehirn schnell auf Veränderungen oder Störungen reagieren kann, ohne seine Funktion zu beeinträchtigen.
Wie arbeiten Neuronen im Team?
Neuronen arbeiten nicht nur individuell. Sie bilden miteinander verbundene Netzwerke, in denen ein Teil ihrer Aktivität spezifischen Aufgaben gewidmet ist, während der andere Teil der Zusammenarbeit dient.
Diese Zusammenarbeit beruht auf der Informationsübertragung über Synapsen, bei denen elektrische Signale in chemische oder elektrische Nachrichten umgewandelt werden. Dies ermöglicht eine reibungslose Koordination zwischen den Zellen.
Werkzeuge wie die Kalziumbildgebung zeigen, dass diese Interaktionen einem fraktalen Hierarchiemuster folgen. Kleine Neuronengruppen werden in größere Gruppen integriert, um die Effizienz zu maximieren.
Diese Teamarbeit ist entscheidend für die Anpassungsfähigkeit des Gehirns. Sie ermöglicht es, täglich auf Herausforderungen zu reagieren und dabei gleichzeitig eine stabile und langfristige Funktionsweise zu gewährleisten.