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 Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie