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Andre Wobst «  Gerhard Schmid »  Jörg Lehmann
Gerhard Schmid
Channel noise in excitable membranes
Supervisor: Prof. Dr. Peter Hänggi [Theoretical physics I]
Date of oral examination: 07/08/2003
104 pages, english , 3-8322-3674-0
In den letzten Jahren konnte in einer Vielzahl von experimentellen und theoretischen Arbeiten gezeigt werden, dass das Rauschen in biologischen Systemen konstruktiv zur Signalverarbeitung beitragen kann. Diesen Effekt bezeichnet man als biologische stochastische Resonanz. Dabei macht es zunächst keinen Unterschied, ob das Rauschen von einer externen Quelle oder durch intrinsische, omnipresenten Fluktuationen um den Gleichgewichtszustand verursacht wird. In dieser Dissertationsschrift wird nun der Einfluss des sog. Kanalrauschens auf die Signalverarbeitung auf neuronaler Ebene systematisch untersucht. Dazu wird das Hodgkin-Huxley Modell, das die Generierung und Ausbreitung von Nervenimpulsen, sog. Aktionspotentiale, auf der Basis von Membarnleitfähigkeiten beschreibt, erweitert: der stochastischen Natur der Ionenkanäle, die letztlich für die Leitfähigkeit einer biologischen Membran verantwortlich sind, wird Rechnung getragen. Es zeigt sich, dass es eine optimale Anzahl von Ionenkanälen gibt, bei der rauschinduzierte, sog. spontane Aktionspotentiale geordneter auftreten als für größere oder aber auch kleinere Ionenkanalcluster. Wird ein Ausschnitt einer axonalen Zellmembran periodisch stimuliert, so beobachtet man den Effekt der intrinsischen stochastischen Resonanz: mit zunehmender Stärke des Kanalrauschens bzw. mit abnehmender Größe des Membranstücks verbessert sich das Signal-zu-Rausch Verhältnis. Ein, dem Antrieb überlagertes, externes Rauschen kann die Qualität des Signals nur dann verbessern, wenn das intrinsische Rauschen eine kleinere als die optimale Rauschstärke besitzt bzw. der Ionenkanalcluster genügend groß ist. Dies legt die Vermutung nahe, dass erst die Kopplung vieler Ionenkanäle den experimentell beobachtbaren Effekt der Signalverstärkung durch Rauschen ermöglicht und dass die Evolution die Anzahl der koppelnden Ionenkanäle an die äußeren Bedingungen angepasst hat.