Volume 19, Issue 1

Zusammenfassung Viele neuronale Netzwerke zeigen kohärente rhythmische Aktivität. Diese Netzwerkoszillationen bilden eine zeitliche Referenz für die Aktivität einzelner Neurone und erlauben so die Entstehung raum-zeitlicher Muster mit definierten Phasenbeziehungen von Aktionspotenzialen. Häufig kann ein Kerngebiet des Gehirns verschiedene Rhythmen ausbilden, die sich zeitlich überlagern oder alternativ, je nach funktionellem Zustand des Gehirns isoliert auftreten. In den letzten 20 Jahren wurde der Hippocampus des Säugers zu einem wichtigen Modellsystem für das Studium von Netzwerkoszillationen. Hier wurden grundlegende zelluläre Mechanismen der neuronalen Koordination erarbeitet, zugleich aber auch Modelle entwickelt, wie diese koordinierten Muster zur Entstehung, Konsolidierung und zum Abruf von Gedächtnisinhalten führen. Für die Neurowissenschaften stellen solche räumlich-zeitlichen Aktivitätsmuster in neuronalen Netzwerken eine wichtige Ebene der Analyse dar, die zwischen zellulären Mechanismen und systemischen Funktionen vermittelt. Am Beispiel eines besonders schnellen Oszillationsmusters, der hippocampalen ‚ripples‘, sollen der aktuelle Kenntnisstand der Forschung, aber auch die Fülle der noch offenen Fragen dargestellt werden.

Zusammenfassung Die Periodizität der Hirnaktivität trat bereits nach dem ersten Aufnahmeversuch durch Hans Berger 1929 hervor, wobei dieser bemerkte: „ das Enzephalogramm stellt eine kontinuierliche Kurve mit fortlaufenden Oszillationen dar“. Diese Rhythmik der neuronalen Aktivität, die „Melodie“ des Gehirns, erlangte seitdem immer mehr Aufmerksamkeit als energieeffiziente Strategie zur Organisation und Kommunikation innerhalb von sowie zwischen Gehirnregionen. Inzwischen ist bekannt, dass diese Oszillationen aktiv an sensorischer und kognitiver Wahrnehmung im adulten Gehirn beteiligt sind, allerdings ist ihre Funktion während der Entwicklung noch größtenteils unerforscht. Neue experimentelle Daten von frühgeborenen menschlichen Säuglingen oder neugeborenen Ratten haben gezeigt, dass das unreife Gehirn bereits verschiedene Aktivitätsmuster generieren kann. Ihre Eigenschaften und die ihnen zugrunde liegenden Mechanismen können je nach Hirnareal unterschiedlich sein. Diese frühen Aktivitätsmuster scheinen die Verfeinerung sowohl der an sensorischer Wahrnehmung beteiligten kortikalen Karten als auch mnemonische und ausführende Verarbeitung zu begünstigen. Hier geben wir einen Überblick über kürzlich veröffentlichte Studien, die frühe oszillatorische Aktivität charakterisieren und deren Bedeutung für die Hirnentwicklung demonstrieren.

Zusammenfassung Das Nervensystem zeichnet sich durch eine besonders komplexe Zell-zu-Zell-Interaktion aus, welche vorwiegend durch chemische Synapsen erfolgt. Die Struktur dieses interzellulären Netzwerks zu kartieren ist eine wesentliche Herausforderung der Neurowissenschaften. Das in den letzten Jahren formierte Feld der Connectomics hat sich die methodische Aufgabe gestellt, die dichte Rekonstruktion immer größerer Nervenzellnetzwerke zu ermöglichen. Hierzu dienen automatisierte Volumenelektronenmikroskopie- Techniken für die Bildgebung. Die wesentliche Hürde ist jedoch noch immer die Datenrekonstruktion, für welche inzwischen ungewöhnliche Wege der Massenrekonstruktion mittels Schwarmintelligenz und Online-Computerspielen verfolgt werden.

Neuronal networks often express coherent oscillatory activity. These rhythms can pro­vide a temporal reference for the activity of single neurons and allow the formation of spatiotemporal activity patterns with a de­fined phase relationship of action potentials. In a single brain nucleus, oscillations at dif­ferent frequencies might be simultaneous­ly generated, but isolated rhythms might also be characteristic for specific functional brain states. During the last two decades the mam­malian hippocampus has become an impor­tant model system for the study of neuronal network oscillations. In this brain area, cel­lular mechanisms underlying neuronal syn­chronization have been described, but also models were developed to explain the con­tribution of oscillations in encoding, con­solidation, and recall of memories. Neuro­nal rhythmic activities provide an impor­tant field of analysis bringing together cel­lular mechanisms and systemic functions of the brain. Here, we use a particularly fast type of neuronal oscillation, hippocampal “rip­ples”, as an example to outline current knowl­edge and open questions related with this re­search field. Abstract Neuronal networks often express coherent oscillatory activity. These rhythms can pro­vide a temporal reference for the activity of single neurons and allow the formation of spatiotemporal activity patterns with a de­fined phase relationship of action potentials. In a single brain nucleus, oscillations at dif­ferent frequencies might be simultaneous­ly generated, but isolated rhythms might also be characteristic for specific functional brain states. During the last two decades the mam­malian hippocampus has become an impor­tant model system for the study of neuronal network oscillations. In this brain area, cel­lular mechanisms underlying neuronal syn­chronization have been described, but also models were developed to explain the con­tribution of oscillations in encoding, con­solidation, and recall of memories. Neuro­nal rhythmic activities provide an impor­tant field of analysis bringing together cel­lular mechanisms and systemic functions of the brain. Here, we use a particularly fast type of neuronal oscillation, hippocampal “rip­ples”, as an example to outline current knowl­edge and open questions related with this re­search field.

The periodicity of brain activity became ob­vious even after the first attempt to capture it, with Hans Berger noting in 1929 that the “electroencephalogram represents a con­tinuous curve with continuous oscillations”. This rhythmicity of neural activity, the ‘melo­dy’ of the brain, has since gained interest as an energy-efficient strategy for the organisa­tion and communication both within and be­tween brain regions. While it is now known that these oscillations actively contribute to sensory perception and cognition in the adult brain, their function during development is still largely unknown. Recent experimental data revealed the ability of immature human and rodent brain to generate various patterns of electrical activity. Their properties and un­derlying mechanisms may vary among dif­ferent brain areas. However, these early pat­terns of activity seem to facilitate the refine­ment of cortical maps involved in sensory perception as well as mnemonic and execu­tive processing. Here we review recent stud­ies, which characterize the early oscillatory activity and demonstrate its impact on brain development.

The nervous system is characterized by ex­tremely complex cell-to-cell interactions which primarily occur via chemical synaps­es. Mapping the structure of these intercel­lular networks is one of the major challeng­es in neuroscience. The new field of connec­tomics which has developed in recent years aims at the dense reconstruction of increas­ingly comprehensive nerve cell networks. Au­tomated volume electron microscopy tech­niques are employed for image acquisition. A major obstacle, however, is data reconstruc­tion, for which unusual solutions (e.g., mass reconstruction by crowd sourcing and on­line computer games) are currently being pursued.