Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Wie Gedanken entstehen

nächste Meldung

Was ist ein Gedanke? Zunächst ein Feuerwerk neuronaler Aktivität, gemacht von Neuronen, den Bausteinen des Gehirns, die Information in Form von elektrischen Impulsen darstellen und weiterleiten. Hirnforscher hoffen, erklären zu können, wie zum Beispiel der Torwart beim Elfmeter seine Augen, seine Arme und Beine, und seine Intuition einsetzt, um ein Tor des Gegners zu verhindern.

Nicht immer, wenn wir denken oder uns erinnern, gibt es aber einen solchen direkten Anstoß von außen. Ein Team von Wissenschaftlern am Bernstein Center for Computational Neuroscience der Universität Freiburg um Stefan Rotter vom Freiburger Institut für Grenzgebiete der Psychologie hat mit Hilfe aufwändiger Computersimulationen herausgefunden, dass ein sehr großes neuronales Netzwerk unter bestimmten Voraussetzungen auch ohne Anregung von außen anhaltende Aktivität zeigen kann. Diese Aktivität stellt dann, so die Theorie, den "Baustoff" für Erinnerungen und Denkprozesse zur Verfügung. Die Arbeit wird in der Januar-Ausgabe der Zeitschrift "Neural Computation" veröffentlicht.

Neurone erhalten Signale von vorgeschalteten Zellen, die entweder erregend oder hemmend sein können. Mathematische Modelle neuronaler Netzwerke gehen in der Regel davon aus, dass Nervenzellen diese Eingangssignale miteinander verrechnen und, sobald ein bestimmter Schwellwert erreicht ist, selbst ein Signal aussenden. Aus verschiedenen experimentellen Analysen weiß man aber, dass Neurone sich komplexer verhalten, wenn viele Signale innerhalb kurzer Zeit eintreffen. Das liegt daran, dass sich unter diesen Umständen die physikalischen Eigenschaften der Zellen vorübergehend dramatisch verändern.

Im Rahmen ihrer Doktorarbeiten haben nun Arvind Kumar und Sven Schrader große neuronale Netzwerke am Computer simuliert, die diese Eigenschaft der Neurone erstmals im Detail berücksichtigen. Vor allem in der Großhirnrinde sind Neurone sehr stark miteinander vernetzt, das heißt, sie erhalten viele Eingangssignale, die dann die Verrechnung darauf folgender Signale modifizieren. Die Berücksichtigung der besonderen Eigenschaften von Neuronen in derartigen Netzwerken führt zu einer hervorragenden Übereinstimmung mit Messungen an biologischen Nervenzellen im intakten Gehirn. Das neue virtuelle Netzwerk spiegelt die Realität besser wider als bisherige Modelle.

Ein besonderes Merkmal, in dem sich das Netzwerk von Rotter und seinen Kollegen von anderen Modellen unterscheidet, ist seine sich selbst aufrechterhaltende Aktivität. Wenn das Netzwerk groß genug ist, reicht es aus, es einmal anzuregen - danach bleibt es auch ohne weitere Reizung von außen aktiv. "Netzwerke aus etwas einfacher gestrickten Modellneuronen hingegen würden nach kurzer Zeit sozusagen einschlafen", sagt Rotter. Diese Beobachtung an künstlichen Systemen lässt Rückschlüsse auf die Funktionsweise unseres Gehirns zu - denn wenn das Gehirn denkt oder sich erinnert, braucht es dazu normalerweise keinen unmittelbaren Anstoß von außen.

"Es genügt aber nicht, dass das Gehirn einfach nur aktiv ist", sagt Rotter, "mit dem Aktivitätsmuster muss auch Bedeutung verbunden sein". Wenn wir uns erinnern, muss das Gehirn Zusammenhänge herstellen können und sinnvolles Verhalten produzieren. Wie aber im Ozean neuronaler Aktivität des Netzwerks sinnvolle Muster entstehen, ist Gegenstand weiterer Untersuchungen von Rotter und seinen Kollegen am Bernstein Zentrum. Ihr neues Netzwerkmodell bietet ihnen hierzu vielversprechende Voraussetzungen.

Katrin Weigmann | idw
Weitere Informationen:
http://www.bernstein-zentren.de/
http://www.bccn-freiburg.de/
http://www.igpp.de

nächste Meldung

Im Focus: Auf dem Weg zu maßgeschneiderten Naturstoffen

Biotechnologen entschlüsseln Struktur und Funktion von Docking Domänen bei der Biosynthese von Peptid-Wirkstoffen

Mikroorganismen bauen Naturstoffe oft wie am Fließband zusammen. Dabei spielen bestimmte Enzyme, die nicht-ribosomalen Peptid Synthetasen (NRPS), eine...

Im Focus: Größter Galaxien-Proto-Superhaufen entdeckt

Astronomen enttarnen mit dem ESO Very Large Telescope einen kosmischen Titanen, der im frühen Universum lauert

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Olga Cucciati vom Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) Bologna hat mit dem VIMOS-Instrument am Very Large...

Im Focus: Auf Wiedersehen, Silizium? Auf dem Weg zu neuen Materalien für die Elektronik

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben zusammen mit Wissenschaftlern aus Dresden, Leipzig, Sofia (Bulgarien) und Madrid (Spanien) ein neues, metall-organisches Material entwickelt, welches ähnliche Eigenschaften wie kristallines Silizium aufweist. Das mit einfachen Mitteln bei Raumtemperatur herstellbare Material könnte in Zukunft als Ersatz für konventionelle nicht-organische Materialien dienen, die in der Optoelektronik genutzt werden.

Bei der Herstellung von elektronischen Komponenten wie Solarzellen, LEDs oder Computerchips wird heutzutage vorrangig Silizium eingesetzt. Für diese...

Im Focus: Goodbye, silicon? On the way to new electronic materials with metal-organic networks

Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz (Germany) together with scientists from Dresden, Leipzig, Sofia (Bulgaria) and Madrid (Spain) have now developed and characterized a novel, metal-organic material which displays electrical properties mimicking those of highly crystalline silicon. The material which can easily be fabricated at room temperature could serve as a replacement for expensive conventional inorganic materials used in optoelectronics.

Silicon, a so called semiconductor, is currently widely employed for the development of components such as solar cells, LEDs or computer chips. High purity...

Im Focus: Blauer Phosphor – jetzt erstmals vermessen und kartiert

Die Existenz von „Blauem“ Phosphor war bis vor kurzem reine Theorie: Nun konnte ein HZB-Team erstmals Proben aus blauem Phosphor an BESSY II untersuchen und über ihre elektronische Bandstruktur bestätigen, dass es sich dabei tatsächlich um diese exotische Phosphor-Modifikation handelt. Blauer Phosphor ist ein interessanter Kandidat für neue optoelektronische Bauelemente.

Das Element Phosphor tritt in vielerlei Gestalt auf und wechselt mit jeder neuen Modifikation auch den Katalog seiner Eigenschaften. Bisher bekannt waren...