Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die digitale Sprache des Gehirns

20.05.2011
Mit einem einfachen an der Universität Tübingen entwickelten Modell lassen sich bisher rätselhafte Aktivitäten von Nervenpopulationen nachbilden.

Die universelle Sprache des Gehirns besteht aus elektrischen Impulsen, sogenannten Spikes. Jeder einzelne der Millionen Nerven im menschlichen Gehirn kann zu jedem Zeitpunkt entweder einen Spike aussenden oder ruhig bleiben. Das Gehirn repräsentiert also Informationen über die Welt ganz ähnlich wie ein Computer in einem binären Code, null oder eins, Spike oder nicht Spike.

Dank neuer Entwicklungen in der Messtechnik können Neurowissenschaftler inzwischen die Aktivität von Dutzenden von Neuronen gleichzeitig messen. Doch bis heute ist nicht geklärt, welche Eigenschaften die binären Muster haben, die sich aus der Spike-Aktivität der Nervenzellen ergeben.

Dieses Dilemma hat Theoretiker unter den Neurowissenschaftlern dazu veranlasst nach statistischen Methoden zu suchen, mit denen sie die Signalmuster des Gehirns modellieren können, um besser zu verstehen, wie Sinneswahrnehmungen auf der Ebene der Nerven kodiert werden. Wichtige Anregungen dazu stammen aus der Theoretischen Physik: Physiker haben reichhaltige Erfahrungen im Studium von Systemen, in denen viele Elemente miteinander in Wechselwirkung stehen. Zum Beispiel haben sie das sogenannte Ising-Modell entwickelt, das beschreibt, wie eine große Zahl ferromagnetischer Teilchen ein kollektives Verhalten entwickelt, das letztlich den Magnetismus des Materials ausmacht.

In mehreren Studien hat sich nun gezeigt, dass dieses Ising-Modell erstaunlich präzise Beschreibungen der Aktivitäten in einer Nervenpopulation liefern kann. Dieser Erfolg eines relativ einfachen Modells hat die Hoffnung genährt, dass die Suche nach dem neuronalen Code nicht vergeblich bleiben muss. Ganz ungetrübt blieb diese Hoffnung allerdings nicht. Gerade in jüngster Zeit hat das Ising-Modell in einigen Studien die beobachtete neuronale Statistik nicht wiedergeben können. Das Modell versagte, und zwar auf charakteristische, interessante Weise.

Wann und warum liefert das stark vereinfachende Ising-Modell eine gute Beschreibung neuronaler Aktivität? Ein Team von Wissenschaftlern aus London, Berlin und Tübingen ist jetzt mit einer mathematischen Analyse einer Antwort auf diese Frage näher gekommen. Ihre Studie ist in der aktuellen Ausgabe der „Physical Review Letters“ erschienen. Die Studie entstand in Zusammenarbeit von Dr. Jakob Macke und Prof. Dr. Matthias Bethge vom Werner-Reichardt Zentrum für Integrative Neurowissenschaften (CIN) am Institut für Theoretische Physik der Universität Tübingen und dem Max-Planck-Institut für Biologische Kybernetik in Tübingen, sowie von Prof. Dr. Manfred Opper von der Abteilung Methoden der Künstlichen Intelligenz im Institut für Softwaretechnik und Theoretische Informatik der Technischen Universität Berlin.

Der entscheidende Punkt ihres Denkansatzes ist die Annahme, dass es gemeinsame Eingangssignale gibt, die bei allen Neuronen ankommen, die der experimentierende Wissenschaftler aber womöglich nicht direkt beobachtet. Die Annahme ist plausibel, denn zum Beispiel die Neuronen des visuellen Systems bekommen in nennenswertem Umfang Signale von anderen Neuronen, die alle auf ähnliche Weise stimuliert werden.

Der Erstautor der Studie, Dr. Jakob Macke, der nach Abschluss seiner Promotion an der Universität Tübingen an die „Gatsby Computational Neuroscience Unit“ des University College London gewechselt ist, erläutert: „Obwohl unser Modell recht einfach ist, konnten wir damit eine Reihe empirischer Beobachtungen erklären, von denen einige bisher als widersprüchlich gegolten haben. Es stimmt in gleicher Weise wie das Ising-Modell mit Messungen neuronaler Aktivitäten überein. Aber es sagt auch überraschend gut voraus, wann das Ising-Modell versagen wird und auf welche Weise es versagen wird.“ Die Einfachheit des Modells erlaubte es zu untersuchen, welche Eigenschaften es entwickelt, wenn man es auf große Nervennetzwerke anwendet. „Wir konnten quantitative Vorhersagen über das Verhalten sehr großer Nervenpopulationen machen – solcher Populationen, die sich mit den heute verfügbaren experimentellen Techniken nicht erfassen lassen, von denen wir aber glauben, dass sie sehr relevant für Rechenvorgänge im Gehirn sind“, sagt Macke.

Die Studie, so fassen die Forscher zusammen, stellt einen sehr einfachen Mechanismus vor, nämlich den der gemeinsamen Eingangssignale für alle Neuronen, liefert damit aber möglicherweise eine ganz schlichte Erklärung für eine Reihe scheinbar widersprüchlicher Beobachtungen. Damit liefert das vorgestellte Modell zudem ein schönes Beispiel dafür, wie klassische Modelle im Zusammenhang mit einem neuen wissenschaftlichen Problem wieder nützlich werden können.

Jakob Macke, Manfred Opper, Matthias Bethge: Common Input Explains Higher-Order Correlations and Entropy in a Simple Model of Neural Population Activity. Physical Review Letters, 20/106, 20. Mai 2011, DOI 10.1103/PhysRevLett.106.208102

Kontakt:
Prof. Dr. Matthias Bethge
Universität Tübingen
Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaft (CIN)
Institut für Theoretische Physik, Universität Tübingen
sowie Max-Planck-Institut für Biologische Kybernetik
Telefon: +49 7071 601-1770
E-Mail: http://matthias.bethge[at]uni-tuebingen.de
Dr. Jakob Macke
Gatsby Computational Neuroscience Unit
University College London
Telefon: 0044-207679-5380
E-Mail: http://jakob[at]gatsby.ucl.ac.uk
Universität Tübingen
Hochschulkommunikation
Leiterin Myriam Hönig
Abteilung Presse, Forschungsberichterstattung, Information
Michael Seifert
Telefon +49 7071 29-76789
Telefax +49 7071 29-5566
http://michael.seifert[at]uni-tuebingen.de

Michael Seifert | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-tuebingen.de/aktuelles

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Zebras: Immer der Erinnerung nach
24.05.2017 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

nachricht Wichtiges Regulator-Gen für die Bildung der Herzklappen entdeckt
24.05.2017 | Universität Basel

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: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten