Evolution vs Engineering: Utility and Drawbacks of Complex Spike-Enabling Mechanisms in Excitable Cells

Elektrische Signalübertragung ist ein grundlegendes Merkmal des Nervensystems, das die Kommunikation zwischen erregbaren Zellen ermöglicht, um Bewegung zu koordinieren und sensorische Reize zu verarbeiten. In vielen elektrisch erregbaren Zellen bildet das Aktionspotenzial – ein Alles-oder-Nichts-Signal in Form eines elektrischen „Spikes“ – die Grundlage der Signalübertragung und erlaubt eine effiziente und zuverlässige Weiterleitung von Informationen. Die biophysikalischen Prozesse, die Aktionspotenziale erzeugen und aufrechterhalten, führen jedoch auch zu sekundären elektrischen Dynamiken, welche die Reaktion erregbarer Zellen auf Reize sowie deren Wechselwirkungen untereinander beeinflussen können. Diese sekundären Dynamiken werden häufig als Nebenprodukte der Erzeugung von Aktionspotenzialen übersehen, obwohl sie das Antwortverhalten erregbarer Zellen auf transiente Reize und deren Interaktion in Netzwerken maßgeblich beeinflussen können. Solche „dynamischen Nebenprodukte spikestützender Mechanismen“ können beispielsweise die Fähigkeiten zur Informationsverarbeitung einzelner Zellen und Netzwerke erweitern, aber auch die elektrische Signalübertragung stören – insbesondere unter extremen Umweltbedingungen. In dieser Arbeit liegt der Fokus auf zwei solcher Dynamiken: nichtlineare (unter dem Schwellenwert liegende) Dynamiken und langsame Spikefrequenzadaption. Damit tragen die hier vorgestellten Arbeiten zu einem besseren Verständnis des Einflusses biophysikalischer Eigenschaften einzelner erregbarer Zellen auf Netzwerkdynamiken bei – sowohl in der Biologie, in der Zellbausteine durch natürliche Evolution entstanden sind, als auch in der neuromorphen Hardware, in der menschengemachte Designs biophysikalische Mechanismen zur Rechenleistungssteigerung nutzen, während Mechanismen, die Anfälligkeiten verursachen, gezielt vermieden werden.