Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lernen im Computermodell

25.04.2007
Wissenschaftler erforschen Lernvorgänge durch die Computersimulation eines Kubikmillimeters Gehirn

Dass das Gehirn lernen kann, liegt an den besonderen Eigenschaften der Nervenzellen, insbesondere deren Verbindungen, der Synapsen. Bei jeder Aktivität des Gehirns werden Informationen in Form von kurzen, elektrischen Impulsen von Zelle zu Zelle weitergegeben - man sagt, die Nervenzellen "feuern".

Dabei kann die Weitergabe von Signalen regelrecht geübt werden. Wenn eine Zelle A einen Impuls aussendet, der in Zelle B eine Antwort auslöst, wird der Kontakt von der Zelle A zur Zelle B verstärkt. Besteht kein derartiger Kausalzusammenhang oder feuert wiederholt B kurz vor A, wird der Kontakt geschwächt. Durch diese so genannte "spike-timing dependent plasticity" (STDP) werden Nervenbahnen durch häufige Wiederholungen ausgebaut. Andere Verknüpfungen hingegen, die selten gebraucht werden, verfallen.

Diese "Plastizität" des Gehirns, die Fähigkeit zur physiologischen und strukturellen Veränderung, gilt als Grundlage des Lernens. In einer aufwändigen Computersimulation von 100.000 Neuronen mit jeweils 10.000 Kontakten - das entspricht etwas einem Kubikmillimeter Großhirnrinde - haben Abigail Morrison, Ad Aertsen und Markus Diesmann nun Hinweise darauf gefunden, dass STDP alleine noch nicht ausreicht, um Lernvorgänge in Zellen zu erklären. Die Arbeit der Wissenschaftler vom Bernstein Center for Computational Neuroscience, der Universität Freiburg und vom RIKEN Brain Science Institute in Tokyo wird in der Juni-Ausgabe der Zeitschrift Neural Computation publiziert.

Schon in früheren Experimenten konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ihre Computersimulation viele Eigenschaften des Gehirns recht gut widerspiegelt. Die virtuellen Neurone feuern mit etwa gleicher Frequenz wie im Gehirn, die Aktivität schaukelt sich weder hoch, noch ebbt sie ab - das System befindet sich in einem "dynamischen Gleichgewicht". Neu in ihrem Modell ist allerdings, dass die virtuellen neuronalen Verbindungen nun auch die Eigenschaft der Plastizität besitzen. Dazu entwickelte Morrison zunächst eine neue mathematische Formulierung der STDP-Lernregel, welche die in der Literatur publizierten experimentellen Ergebnisse deutlich besser beschreibt. Damit kommt das Modell der Realität noch ein Stück näher.

Um zu untersuchen, ob das Computermodell auch Lernvorgänge simulieren kann, regten die Wissenschaftler wiederholt eine bestimmte Gruppe von Neuronen an. Dabei beobachteten sie, dass zunächst genau das passierte, was ein Lernmodell voraussagen würde: Da die stimulierten Neurone die fortwährenden Impulse an die ihnen nachgeschalteten Neurone weitergaben, wurden diese Kontakte verstärkt. Dies ging aber auf Kosten der Kontakte von anderen vorgeschalteten Zellen im Netzwerk. Die Zellen hörten vornehmlich auf die von außen eingegebenen Signale, dadurch wurden die anderen Kontakte überflüssig und entsprechend abgebaut. Wie die Wissenschaftler feststellten, koppelte sich die ganze Gruppe von Nervenzellen, die auf die Stimulation reagierten, nach einiger Zeit vom Netzwerk ab.

STDP alleine kann also Lernen in einem größeren neuronalen Netzwerk nicht erklären, es müssen weitere Bedingungen erfüllt sein, damit das System tatsächlich lernen kann. Es gibt schon einige Hinweise darauf, was für Bedingungen das sein könnten. Mit der Simulation von großen Netzwerken haben Morrison und ihre Kollegen ein gutes Werkzeug in der Hand, um die verschiedenen Modelle zu überprüfen und sich dem Geheimnis des neuronalen Lernens weiter zu nähern.

Quelle:
Morrison, A., Aertsen, A., & Diesmann, M. (2007). Spike-timing dependent plasticity in balanced random networks. Neural Computation, 19 (6) 1437-1467

http://www.mitpressjournals.org/doi/abs/10.1162/neco.2007.19.6.1437

Kontakt:
Dr. Abigail Morrison
Diesmann Research Unit
Computational Neuroscience Group
RIKEN Brain Science Institute
2-1 Hirosawa
Wako City, Saitama 351-0198
Japan
tel: +81 48 467 9644
abigail@brain.riken.jp
Prof. Dr. Ad Aertsen
Bernstein Center für Computational Neuroscience
Albert-Ludwigs-Universität
Hansastrasse 9a
79104 Freiburg i.Br.
Tel: +49 (761) 203-9549
ad.aertsen@biologie.uni-freiburg.de

Katrin Weigmann | idw
Weitere Informationen:
http://www.bccn-freiburg.de/
http://www.mitpressjournals.org/doi/abs/10.1162/neco.2007.19.6.1437

Weitere Berichte zu: Computersimulation Impuls Nervenzelle Neuron Zelle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Möglicher Zell-Therapieansatz gegen Zytomegalie
22.02.2017 | Medizinische Hochschule Hannover

nachricht Erster Atemzug prägt Immunsystem nachhaltig
22.02.2017 | CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Im Focus: Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des Wärmetransportes

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

6. Internationale Fachkonferenz „InnoTesting“ am 23. und 24. Februar 2017 in Wildau

22.02.2017 | Veranstaltungen

Wunderwelt der Mikroben

22.02.2017 | Veranstaltungen

Der Lkw der Zukunft kommt ohne Fahrer aus

21.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ursache für eine erbliche Muskelerkrankung entdeckt

22.02.2017 | Medizin Gesundheit

Möglicher Zell-Therapieansatz gegen Zytomegalie

22.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Meeresforschung in Echtzeit verfolgen

22.02.2017 | Geowissenschaften