Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gibt es ein Tempolimit für das Denken?

08.03.2004


Abb.: Max-Planck-Forscher modellieren Hirnstrukturen als neuronale Netzwerke. Ihre neuesten Befunde zeigen, dass die komplizierte Verschaltungs-Struktur dieser Netzwerke zu einem Tempolimit für die Koordination der Netzwerkaktivität führt.

Bild: Max-Planck-Institut für Strömungsforschung


Göttinger Max-Planck-Forscher haben Geschwindigkeitsbeschränkung in komplexen neuronalen Netzwerken entdeckt


Die neuronalen Netzwerke im Gehirn bestehen aus einer Vielzahl ähnlicher Komponenten, die in scheinbar zufälliger Weise untereinander verbunden sind. Die Nervenzellen kommunizieren miteinander durch den Austausch von Pulsen über ihre Verbindungsstellen, die Synapsen. Doch anders als Atome in einem Kristall, die in einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind, wachsen die synaptischen Verbindungen zwischen Nervenzellen hochgradig unregelmäßig. Neuro-Physiker des Göttinger Max-Planck-Instituts für Strömungsforschung und der Fakultät für Physik der Universität Göttingen sind jetzt der Frage nachgegangen, wie schnell sich die zahlreichen Komponenten eines komplexen Netzwerkes überhaupt koordinieren bzw. synchronisieren können. In Netzwerken pulsgekoppelter Oszillatoren, also einfachen Modellen neuronaler Netzwerke im Gehirn, entdeckten sie, dass die Geschwindigkeit der Synchronisation zwischen Nervenzellen eine obere Grenze hat, die von der Dichte ihrer Verschaltungen abhängt. (Physical Review Letters, 20. Februar 2004). Danach kann auch für die Informationsverarbeitung im Gehirn und unser Denken und Handeln eine Art Maximalgeschwindigkeit bestehen.

Um zu klären, welchen Einfluss die Struktur eines Netzwerks auf das kollektive Verhalten seiner Elemente hat, verwendeten die Göttinger Forscher die Theorie der so genannten Zufalls-Matrizen. Begründet durch Arbeiten von Eugene Wigner, der seinerzeit über Korrelationen zwischen Energieniveaus in Atomkernen arbeitete, wurde die Theorie der Zufalls-Matrizen seit den 1950er Jahren ausführlich untersucht. Seither hat sich der Anwendungsbereich dieser Theorie ständig erweitert und umfasst heute viele verschiedenartige Phänomene, die von quantenmechanischen Aspekten des Chaos bis hin zu Preis-Fluktuationen auf Finanzmärkten reichen.


Marc Timme, Fred Wolf und Theo Geisel haben nun gezeigt, dass die Theorie der Zufalls-Matrizen auch dafür geeignet ist, die Dynamik in komplexen Netzwerken zu analysieren. Dieses neuartige Herangehen erlaubt es, systematisch zu erforschen, welche Auswirkungen die Topologie, also die innere Struktur eines Netzwerks, auf seine Dynamik hat. Mit Hilfe der Zufalls-Matrix-Theorie haben die Göttinger Wissenschaftler mathematische Ausdrücke gefunden, mit deren Hilfe sich präzise bestimmen lässt, wie schnell Neurone ihre Aktivität koordinieren können, also auch, wie schnell sich neuronale Netzwerke synchronisieren können. Diese mathematischen Ausdrücke sagen die Abhängigkeit der Synchronisationsgeschwindigkeit von Eigenschaften einzelner Neurone wie auch von der Netzwerktopologie genau vorher.

Wie intuitiv zu erwarten war, fanden die Max-Planck-Forscher, dass Neurone sich umso schneller synchronisieren, je stärker die synaptischen Verbindungen zwischen ihnen sind. Überraschend zeigt diese Studie aber auch, dass es eine Geschwindigkeitsbeschränkung für die Synchronisation des Netzwerks gibt: Auch bei beliebig starken Wechselwirkungen kann die Synchronisationsgeschwindigkeit nicht schneller sein als eine maximale Grenzgeschwindigkeit. Dieses Tempolimit wird durch die komplizierte Verschaltungs-Struktur des Netzwerkes festgelegt und würde nicht auftreten, wenn jedes Neuron mit jeder anderen Nervenzelle in dem Netzwerk verbunden wäre. Diese Grenze für die Synchronisationsgeschwindigkeit beruht darauf, dass sogar dann, wenn nur ein einziges Neuron vom vollständig synchronen Verhalten des neuronalen Netzes abweicht, diese Information über das gesamte Netzwerk transportiert werden muss, bevor es wieder zu einer vollständigen Synchronisation kommt.

"Unter der Voraussetzung, dass diese Analyse die Schlüsselmechanismen zur Koordination der Aktivität in neuronalen Netzwerken des Gehirns qualitativ korrekt beschreibt, bedeutet dies, dass die Geschwindigkeit neuronaler Informationsverarbeitung, also unser Denken und Handeln, erheblich durch die Verschaltungs-Struktur des Netzwerks beschränkt wird", sagt Prof. Theo Geisel, Direktor am Max-Planck-Institut für Strömungsforschung. "So hat unsere Analyse gezeigt, dass in Zufallsnetzwerken die Synchronisationsgeschwindigkeit nur sehr langsam mit der mittleren Anzahl von Verbindungen pro Neuron zunimmt. Das bedeutet also, dass Hirn-Areale, in denen ein schneller Informationsaustausch essentiell ist, hochgradig vernetzt sein müssen, um ihre Funktion adäquat erfüllen zu können."

Originalveröffentlichung:

Marc Timme, Fred Wolf, Theo Geisel
Topological Speed Limits to Network Synchronization


Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Marc Timme
Max-Planck-Institut für Strömungsforschung, Göttingen
Tel.: 0551 5176-440
Fax: 0551 5176-409
E-Mail: timme@chaos.gwdg.de

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/instituteProjekteEinrichtungen/institutsauswahl/stroemungsforschung/index.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise