Propagation electrodynamics differential conduction of action potentials in geometrically branched squid giant axons

Im Inneren des Gehirns beruht der grundlegendste Akt des Denkens, Fühlens und Bewegens auf einem einfachen, aber tiefgreifenden Ereignis: einem elektrischen Funken, der entlang eines Drahtes wandert. Diese Drähte sind weder aus Kupfer noch aus Silizium, sondern die langen, dünnen Fortsätze von Nervenzellen, die Axone. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler verstanden, wie diese Signale unter Anwendung eines Regelwerks namens Kabeltheorie wandern. Diese Theorie behandelt das Axon wie einen langen, undichten Schlauch, bei dem der Strom durch die Mitte fließt und durch die Seiten nach außen leckt. Dies funktioniert gut genug, um zu erklären, wie ein Signal durch ein gerades, gleichmäßiges Rohr wandert. Doch das echte Gehirn ist keine Ansammlung gerader Röhren. Es ist ein verschlungenes Dickicht aus Verzweigungen, in dem sich eine einzige Nervenfaser in zwei, dann in vier und dann in viele weitere teilt und so ein komplexes geometrisches Rätsel erschafft. Wenn ein Signal eine Weggabelung erreicht, muss es entscheiden, wie es seine Energie aufteilt. Die alten Regeln gingen davon aus, dass das Signal sich gleichmäßig aufteilt, wenn die Zweige gleich groß sind, und wenn sie unterschiedlich groß sind, folgt die Aufteilung einem vorhersehbaren Muster, das rein auf ihrer Breite basiert.

Aber was, wenn den alten Regeln ein Teil des Puzzles fehlt? Was, wenn die Bewegung der Elektrizität durch diese winzigen Drähte ihr eigenes unsichtbares Magnetfeld erzeugt und dieses Feld wiederum der Elektrizität entgegenwirkt? Dies ist die Frage, die ein Team von Forschern zu beantworten versuchte. Sie entwickelten ein neues, vollständigeres Modell dafür, wie Nervensignale wandern – eines, das nicht nur den elektrischen Strom betrachtet, sondern auch die magnetischen Kräfte berücksichtigt, die entstehen, sobald dieser Strom fließt. Durch die Simulation dieser Interaktionen am Computer entdeckten sie, dass die magnetischen Effekte nicht nur ein winziges Detail sind, das man ignorieren kann; sie sind mächtig genug, um zu verändern, wie schnell ein Signal wandert, wie es sich an einem Verzweigungspunkt verhält und sogar, ob es überhaupt erfolgreich die Verbindung überquert.

Die Forscher begannen damit, das Standardmodell einer Nervenzelle zu nehmen und es um die vollständigen Gesetze des Elektromagnetismus zu erweitern. In der traditionellen Sichtweise ist ein Nervensignal einfach eine Spannungs-Welle, die entlang eines Zylinders wandert. In dieser neuen Sichtweise erzeugt diese wandernde elektrische Welle ein Magnetfeld, und dieses Magnetfeld erzeugt eine Kraft, die auf die wandernden Ionen innerhalb der Zelle wirkt. Es ist ein Zwiegespräch zwischen Elektrizität und Magnetismus. Um dies zu testen, schuf das Team eine virtuelle Umgebung, in der sie beobachten konnten, wie diese Signale durch verzweigte Strukturen wandern, ganz ähnlich wie ein Baumstamm, der sich in Äste aufteilt. Sie führten tausende Simulationen durch, veränderten die Dicke des Hauptastes und der Nebenäste und beobachteten, was geschah, wenn das Signal auf die Gabelung traf.

Die Ergebnisse waren überraschend. Im alten Modell, wenn man einen der Nebenäste sehr breit machte, würde das Signal einfach leicht hineinfließen und vielleicht im anderen, schmaleren Zweig etwas langsamer werden. Im neuen Modell veränderten die magnetischen Kräfte das Ergebnis grundlegend. Die Forscher fanden heraus, dass die magnetischen Effekte es viel schwieriger machten, eine Verbindung zu überqueren. Tatsächlich scheiterte das Signal beim Übergang in einen Nebenast bereits bei einer wesentlich geringeren Größe, als die alte Theorie vorhergesagt hatte. Es war, als hätte das Magnetfeld eine unsichtbare Wand errichtet, die das Signal blockierte, noch bevor es den Punkt erreichte, an dem die alte Theorie gesagt hätte, dass es stoppen sollte. Das bedeutet, dass die Schwelle, ab der ein Signal an einem Verzweigungspunkt stecken bleibt, im echten Gehirn niedriger liegt, als wir dachten; das Signal ist an diesen Gabelungen zerbrechlicher, als bisher angenommen.

Die Studie untersuchte auch, was passiert, wenn zwei Zweige exakt die gleiche Größe haben. Laut den alten Regeln sollte ein Signal, wenn es an einer Aufspaltung ankommt, bei der beide Pfade identisch sind, sich perfekt gleichmäßig aufteilen und mit der gleichen Geschwindigkeit in beide Zweige wandern. Die neuen Simulationen zeigten, dass diese perfekte Symmetrie durch ein externes Magnetfeld gebrochen werden kann. Wenn man ein Magnetfeld von der Seite anlegt, beschleunigt das Signal in einem Zweig und verlangsamt sich im anderen, obwohl die Zweige physisch identisch sind. Die magnetische Kraft drückt die elektrischen Ladungen unterschiedlich, je nachdem, in welche Richtung sie sich relativ zum Feld bewegen. Dies deutet darauf hin, dass die Verschaltung des Gehirns gegenüber der magnetischen Umgebung empfindlich sein könnte, was es potenziell ermöglicht, dass externe Magnetfelder die Art und Weise, wie Informationen durch ein einzelnes Neuron geleitet werden, subtil verändern.

Der vielleicht bemerkenswerteste Befund betraf die Geschwindigkeit des Signals selbst. Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass die Geschwindigkeit eines Nervensignals mit der Quadratwurzel der Dicke des Axons steigt. Ein dickerer Draht bedeutet weniger Widerstand, also wandert das Signal schneller. Diese Regel galt für dünne und mittelgroße Drähte in den neuen Simulationen. Als die Forscher jedoch den Hauptast sehr dick machten, wurde das Signal nicht immer schneller. Stattdessen stieß es gegen eine Wand. Das magnetische Feedback wurde bei großen Kabeldurchmessern so stark, dass es das Signal tatsächlich verlangsamte und in einigen Fällen sogar stoppte, noch bevor es den Ausgangspunkt überhaupt verlassen konnte. Die alte Theorie sagte voraus, dass ein sehr dicker Draht immer eine Autobahn für Signale wäre, aber das neue Modell zeigt, dass es eine Grenze gibt. Wenn der Draht zu dick ist, erzeugen die durch den massiven Stromfluss verursachten magnetischen Kräfte eine Rückkopplungsschleife, die das Signal blockiert.

Diese Erkenntnisse stammen aus einer hochentwickelten Computersimulation, die die Gleichungen für elektrische Schaltkreise mit den Gleichungen für Magnetfelder kombinierte. Die Forscher haben nicht nur geraten; sie bauten ein System, das diese Gleichungen Schritt für Schritt löste und verfolgte, wie sich Spannung, Strom und Magnetfeld gemeinsam über die Zeit veränderten. Sie überprüften ihre Arbeit, indem sie sicherstellten, dass die Gesamtmenge des in eine Verbindung eintretenden Stroms immer der Gesamtmenge entsprach, die die Verbindung verließ – ein fundamentales physikalisches Gesetz. Als sie die magnetischen Terme hinzufügten, stellten sie fest, dass das Gleichgewicht eine neue Art der Berechnung erforderte, wie das Signal sich aufteilen sollte. Sie schlugen eine neue Formel vor, die diese magnetischen Effekte einschließt und die Art und Weise verändert, wie wir die Geometrie von Nervenverzweigungen betrachten sollten.

Die Auswirkungen dieser Arbeit sind bedeutend für unser Verständnis des Gehirns. Wenn die magnetischen Effekte real und messbar sind, dann ist die Art und Weise, wie Signale durch die komplexen, verzweigten Bäume unserer Neuronen wandern, komplizierter, als es die einfachen elektrischen Modelle vermuten lassen. Das Gehirn könnte empfindlicher auf Magnetfelder reagieren, als wir es uns vorgestellt haben, und die Regeln dafür, wie Signale an Verzweigungspunkten scheitern oder Erfolg haben, müssen möglicherweise neu geschrieben werden. Die Forscher schlagen vor, dass zukünftige Studien nach diesen Effekten in echtem biologischem Gewebe suchen sollten, etwa durch den Einsatz hochauflösender Messungen, um zu sehen, ob sich die Signale so verhalten, wie die Simulationen es vorhersagen. Für den Moment steht diese Arbeit als Erinnerung daran, dass selbst in der winzigen, überfüllten Welt einer Nervenzelle die Kräfte von Elektrizität und Magnetismus untrennbar miteinander verbunden sind und den Fluss von Gedanken und Empfindungen auf eine Weise formen, die die alten, einfacheren Modelle nicht erfassen konnten.