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Bernstein Center Freiburg

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Bernstein Center Freiburg

The Bernstein Center Freiburg (BCF) is the central research facility at the University of Freiburg for coordinating research in the areas of Computational Neuroscience and Neurotechnology.

It combines a large number of third-party funded research projects in the experimental and theoretical neurosciences and their applications in computer science, microsystems technology, and clinical use, pursued at nine faculties, institutes and research facilities of the university into a large, multidisciplinary research hub.

The BCF also fosters and implements new teaching and training initiatives, in particular the multidisciplinary international PhD and Postdoc programmes in Computational Neuroscience and Neurotechnology, and the tri-national Joint Master in Neuroscience, based in Freiburg, Strasbourg and Basel, organised through the tri-national network Neurex.

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  1. Lähmende Rhythmen bei Parkinson

    Arvind Kumar

    Obwohl Parkinson zu den häufigsten neurologischen Erkrankungen gehört, sind die Ursachen der Krankheit auf der Ebene der Vorgänge im Gehirn weitgehend unverstanden. Elektrische Reizung unterdrückt zwar viele Symptome, doch wie genau dies erreicht wird, ist unbekannt. Der Freiburger Wissenschaftler Dr. Arvind Kumar und seine Kollegen vom Bernstein Center Freiburg liefern nun ein Erklärungsmodell, wie die Symptome von Parkinson entstehen, wie Tiefe Hirnstimulation (DBS) ihnen entgegenwirkt, und wie sich diese Methode weiter verbessern lässt. Ihre Studie ist in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Frontiers in Systems Neuroscience“ erschienen.

    Als James Parkinson die Krankheit beschrieb, die später seinen Namen tragen sollte, benannte er sie zunächst nach ihrem auffälligsten Symptom: der „Schüttellähmung“. Mehr als hundert Jahre später wurde der Mangel eines bestimmten Botenstoffs im Gehirn als ursächliche Störung erkannt. Damit war aber nicht erklärt, wie die Bewegungsstörungen zustande kommen. Mittlerweile wissen Forscherinnen und Forscher, dass bei Parkinson-Patienten Gruppen von Nervenzellen in einem Gehirnbereich – den Basalganglien – periodische Schwankungen in ihrer Aktivität zeigen.

    Die Wissenschaftler um Arvind Kumar liefern nun erstmals eine umfassende Erklärung für die Entstehung dieser Schwingungen – und wie die DBS ihnen entgegenwirkt. Ein im Computer simuliertes Modell der Netzwerke im Gehirn zeigt, dass erhöhte Aktivität in einer anderen Hirnregion, dem Striatum, die Basalganglien in die krankhaften Schwingungen treibt. Beim Gesunden bleibt die Aktivität zweier Regionen innerhalb der Basalganglien im Gleichgewicht: Eine Region regt die andere an, diese wiederum hemmt die erste. Die erhöhte Aktivierung durch das Striatum stört diese Balance, Schwingungen entstehen. Eine geringe Aktivität des Striatums unterdrückt also Schwingungen, eine hohe löst sie aus.

    Die Freiburger Forscher erweiterten ihr Modell, um auch den Mechanismus der DBS zu verstehen. So konnten sie erklären, wie DBS die Balance wiederherstellt. Zudem fanden sie ein Reizmuster, das mit etwa halb so vielen Impulsen auskommt als bislang üblich. Die eingesparte Energie könnte die Lebensdauer eines DBS-Implantats verdoppeln – und so die Zahl von medizinischen Eingriffen zum Batterietausch reduzieren.


    Kumar A., Cardanobile S., Rotter S. und Aertsen A. (2011) The role of inhibition in generating and controlling Parkinson’s disease oscillations in the basal ganglia. Front. Syst. Neurosci. 5:86. doi: 10.3389/fnsys.2011.00086


  2. Crippling Rhythms of Parkinson

    Arvind Kumar

    Although Parkinson’s disease is one of the most common neurological disorders, its causes at the level of neuronal mechanisms are still poorly understood. Electrical stimulation has proven to alleviate many symptoms, but how exactly it achieves this, remains a mystery. Arvind Kumar and colleagues at the Bernstein Center Freiburg now provide a unified explanation of how Parkinson’s symptoms arise, how deep-brain stimulation (DBS) can counteract them, and how the method can be improved. Their study appears in the current issue of “Frontiers in Systems Neuroscience”.

    When James Parkinson described the disease that would later bear his name, he called it “shaking palsy”, pointing at its most obvious symptoms. It would take more than a century to discover that the lack of a messenger molecule in the brain lay at the root of the disease. Yet, this discovery could not explain how the movement disorder actually arises. Meanwhile, scientists found in Parkinson patients that in a specific brain region – the basal ganglia – large groups of nerve cells show a periodic rise and fall in activity. Stimulating the affected areas with electric pulses can quench these oscillations and suppress the disease symptoms. But again, hypotheses how this was achieved were lacking.

    Arvind Kumar and colleagues now propose a unified explanation why these oscillations occur and how DBS acts against them. Using a realistic network model, they show that the excessive activity in a certain brain structure – the striatum – forces the basal ganglia into oscillations. In the healthy state, two subregions of the basal ganglia remain in balance through the mutual excitation and inhibition of their activity. However, an increased input from the striatum destroys this balance and the two subregions enter a fatal cycle of rising and falling activity. In other words: Low activity in the striatum quenches the oscillations, high activity unleashes them.

    Kumar and colleagues extended their model to understand the mechanism of deep-brain stimulation. Not only does it explain how DBS can return this balance, but also allows investigating improved stimulation patterns. The Freiburg group already proposed a new protocol that uses only half the pulses currently in use. This could double the life span of the DBS implant’s battery, meaning fewer battery replacement surgeries.


    Kumar A., Cardanobile S., Rotter S. and Aertsen A. (2011) The role of inhibition in generating and controlling Parkinson’s disease oscillations in the basal ganglia. Front. Syst. Neurosci. 5:86. doi: 10.3389/fnsys.2011.00086


  3. Präzise Signale - Codierung in der Großhirnrinde

    Florian Rau und Gunnar Grah

    Der Kurzfilm stellt eine am Bernstein Center der Universität Freiburg entwickelte Methode vor, wie die Signalweiterleitung in der Großhirnrinde des Gehirns analysiert werden kann, und welche Ergebnisse dabei gefunden wurden.


  4. Precise Signals - Coding in the cerebral cortex

    Florian Rau und Gunnar Grah

    Short film, describing a method developed at the Bernstein Center of the University of Freiburg to analyse the signal transmission in the cortex of the brain, and the results that were found.

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