Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die hohe Kunst des Schubladendenkens

18.10.2012
Ein Team von Neurobiologen am Wiener Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) widmet sich der Frage, wie das Gehirn stabile Kategorien bilden kann. Die Antwort liegt in bestimmten Eigenschaften von Nervenzell-Netzwerken. Die Zeitschrift Neuron berichtet in ihrer aktuellen Ausgabe.

Eine der faszinierenden Leistungen unseres Gehirns ist die Fähigkeit, die Welt in Kategorien wahrzunehmen. Wir erkennen das Gesicht eines bekannten Menschen unabhängig davon, ob wir die Person bei Tag oder bei Nacht treffen, ob mit oder ohne Brille. Ebenso bemerkenswert ist die Erkennung der Sprache: gleiche Silben hören wir als gleich, unabhängig vom Sprecher, von der Lautstärke oder von Umgebungsgeräuschen.


Das “Schubladendenken” oder die Fähigkeit, Kategorien zu bilden, ist eine hochentwickelte Funktion des Gehirns

Illustration: IMP

Unser Gehirn ermöglicht es uns auf faszinierende Weise, Konstanten in einer niemals exakt gleichen Umwelt wahrzunehmen. Während solche Kategorisierungen beim Menschen automatisch ablaufen und uns nicht einmal bewusst werden, ist es nur sehr schwer möglich, entsprechende Aufgaben mit einem Computer zu lösen.

Viele Zellen – wenige Muster

Wissenschaftler am IMP um den Neurobiologen Simon Rumpel und seinen Postdoktoranden Brice Bathellier konnten nun an Nervenzell-Netzwerken in der Großhirnrinde bestimmte Eigenschaften nachweisen, die allem Anschein nach für die Bildung von Kategorien verantwortlich sind. In Versuchen mit Mäusen ließen die Forscher unterschiedliche Töne und Geräusche erklingen und zeichneten dabei die Aktivitätsmuster von Nervenzell-Gruppen in der Hörrinde des Gehirns auf. Sie stellten fest, dass Ensembles von etwa 50 bis 100 miteinander verschalteten Zellen trotz vielfältigster Klänge nur sehr wenige, diskrete Muster erzeugen. Das bedeutet, dass unterschiedliche Geräusche in einem Aktivitätsmuster zusammengefasst und in eine funktionelle Kategorie eingeordnet werden.

In Experimenten, in denen das Geräusch kontinuierlich verändert wurde, konnten die Forscher keine kontinuierliche Veränderung des Antwortmusters beobachten, sondern einen abrupten Übergang von einem Muster in ein anderes. Solch ein dynamisches Verhalten ähnelt dem von künstlichen Attraktor -Netzwerken, die bereits vor Jahren von Theoretikern als eine mögliche Lösung des Kategorisierungsproblems vorgeschlagen wurden. Der Begriff Attraktor stammt aus der Chaosforschung und bezeichnet einen stabilen Zustand, dem sich ein dynamisches System annähert. Etwas salopper ausgedrückt, werden die akustischen Reize im Gehirn in bestimmten „Schubladen“ abgelegt, die den möglichen Antworten von Nervenzell-Gruppen entsprechen.

Rasterfahndung im Gehirn

Simon Rumpel zieht noch einen anderen Vergleich: „Wir können uns den Vorgang der akustischen Repräsentation wie eine Rasterfahndung vorstellen. Einzelne Neuronengruppen können immer nur wenige Eigenschaften eines Sinnesreizes wiedergeben (hoher Ton oder tiefer Ton, laut oder leise usw.). Erst wenn über die Gesamtheit der Neuronen integriert wird, entsteht der komplette Eindruck des Geräuschs mit all seinen Schattierungen.“

Die Ergebnisse der Aktivitätsmessungen im Gehirn wurden durch Verhaltensexperimente mit Mäusen bestätigt. Zunächst trainierte man die Tiere darauf, zwei Töne zu unterscheiden. Ob das Antwortverhalten auf einen dritten Ton eher dem ersten oder zweiten Ton entsprach, diente als Maß der Ähnlichkeit der Wahrnehmung. Interessanterweise zeigte sich, dass die Ähnlichkeit in der Wahrnehmung durch den Vergleich der durch die entsprechenden Töne ausgelösten Aktivitätsmuster in der Hörrinde vorhergesagt werden konnte.

Mit der Arbeit, die in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift NEURON veröffentlicht wird, können die IMP-Forscher erstmals nachweisen, dass die Bildung von Kategorien auf der dynamischen Eigenschaft von Nervennetzen in der Gehirnrinde beruht. Es könnte sich dabei um ein fundamentales Prinzip höherer Gehirnfunktionen handeln, das etwa auch bei der Verarbeitung von Sprache eine Rolle spielt.

Die Arbeit "Discrete neocortical dynamics predict behavioural categorization of sounds" von Brice Bathellier et al. erscheint am 18. Oktober 2012 in der Zeitschrift Neuron. (DOI 10.1016/j.neuron.2012.07.008)

Über Simon Rumpel
Simon Rumpel wurde 1972 in Erlangen geboren. Er studierte Biologie in Bochum und promovierte 2001 über ein neurowissenschaftliches Thema. Die folgenden fünf Jahre verbrachte er als Postdoktorand am Cold Spring Harbor Laboratory in New York, wo er sich mit den neuronalen Grundlagen des Gedächtnisses beschäftigte. Seit 2006 ist Simon Rumpel Gruppenleiter am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie in Wien.
Über das IMP
Das Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie betreibt in Wien biomedizinische Grundlagenforschung und wird dabei maßgeblich von Boehringer Ingelheim unterstützt. Mehr als 200 ForscherInnen aus über 30 Nationen widmen sich der Aufklärung grundlegender molekularer und zellulärer Vorgänge, um komplexe biologische Phänomene im Detail zu verstehen und Krankheitsmechanismen zu entschlüsseln.

Kontakt:
Dr. Heidemarie Hurtl
IMP Communications
Tel.: (+43 1) 79730 3625
Mobil: 0664/8247910
hurtl@imp.ac.at

Wissenschaftlicher Kontakt:
rumpel@imp.ac.at

Dr. Heidemarie Hurtl | idw
Weitere Informationen:
http://www.imp.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Immunologie - Rachenmandeln als Test-Labor
27.02.2020 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Pestizide erhöhen Risiko für Tropenkrankheit Schistosomiasis / Belastete Gewässer fördern Zwischenwirt des Erregers
27.02.2020 | Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

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: Wiegende Halme auf der Handwerksmesse München

Talente-Sonderschau: Architekturstudenten der HTWK Leipzig zeigen filigrane Skulptur aus Strohhalmen – dahinter steckt eine Konstruktionsidee für organisch gekrümmte Fassaden

Swaying Straws (Wiegende Halme) heißt die Skulptur, die die zwei Architekturstudenten Fabian Eidner und Theodor Reinhardt von der Hochschule für Technik,...

Im Focus: Wissenschaftler beleuchten aktuellen Stand der Anwendung des Maschinenlernens bei Forschung an aktiven Materialien

Verfahren des Maschinenlernens haben durch die Verfügbarkeit von enormen Datenmengen in den vergangenen Jahren einen großen Zuwachs an Anwendungen in vielen Gebieten erfahren: vom Klassifizieren von Objekten, über die Analyse von Zeitreihen bis hin zur Kontrolle von Computerspielen und Fahrzeugen. In einem aktuellen Review in der Zeitschrift „Nature Machine Intelligence“ beleuchten Autoren der Universitäten Leipzig und Göteborg den aktuellen Stand der Anwendung und Anwendungsmöglichkeiten des Maschinenlernens im Bereich der Forschung an aktiven Materialien.

Als aktive Materialien bezeichnet man Systeme, die durch die Umwandlung von Energie angetrieben werden. Bestes Beispiel für aktive Materialien sind biologische...

Im Focus: Computersimulationen stellen bildlich dar, wie DNA erkannt wird, um Zellen in Stammzellen umzuwandeln

Forscher des Hubrecht-Instituts (KNAW - Niederlande) und des Max-Planck-Instituts in Münster haben entdeckt, wie ein essentielles Protein bei der Umwandlung von normalen adulten humanen Zellen in Stammzellen zur Aktivierung der genomischen DNA beiträgt. Ihre Ergebnisse werden im „Biophysical Journal“ veröffentlicht.

Die Identität einer Zelle wird dadurch bestimmt, ob die DNA zu einem beliebigen Zeitpunkt „gelesen“ oder „nicht gelesen“ wird. Die Signalisierung in der Zelle,...

Im Focus: Bayreuther Hochdruck-Forscher entdecken vielversprechendes Material für Informationstechnologien

Forscher der Universität Bayreuth haben ein ungewöhnliches Material entdeckt: Bei einer Abkühlung auf zwei Grad Celsius ändern sich seine Kristallstruktur und seine elektronischen Eigenschaften abrupt und signifikant. In diesem neuen Zustand lassen sich die Abstände zwischen Eisenatomen mithilfe von Lichtstrahlen gezielt verändern. Daraus ergeben sich hochinteressante Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Informationstechnologien. In der Zeitschrift „Angewandte Chemie – International Edition“ stellen die Wissenschaftler ihre Entdeckung vor. Die neuen Erkenntnisse sind aus einer engen Zusammenarbeit mit Partnereinrichtungen in Augsburg, Dresden, Hamburg und Moskau hervorgegangen.

Bei dem ungewöhnlichen Material handelt es sich um ein Eisenoxid mit der Zusammensetzung Fe₅O₆. In einem Hochdrucklabor des Bayerischen Geoinstituts (BGI),...

Im Focus: Von China an den Südpol: Mit vereinten Kräften dem Rätsel der Neutrinomassen auf der Spur

Studie von Mainzer Physikern zeigt: Experimente der nächsten Generation versprechen Antworten auf eine der aktuellsten Fragen der Neutrinophysik

Eine der spannendsten Herausforderungen der modernen Physik ist die Ordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen. Eine aktuelle Studie, an der Physiker des...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hate Speech bis KI: Online-Forscher_innen aus aller Welt treffen sich zur General Online Research an der HTW Berlin

28.02.2020 | Veranstaltungen

CLIMATE2020 – Weltweite Online-Klimakonferenz vom 23. bis 30. März 2020

26.02.2020 | Veranstaltungen

Automatisierung im Dienst des Menschen

25.02.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Asteroid in eiserner Rüstung

28.02.2020 | Geowissenschaften

Hate Speech bis KI: Online-Forscher_innen aus aller Welt treffen sich zur General Online Research an der HTW Berlin

28.02.2020 | Veranstaltungsnachrichten

UV-Licht gegen störenden Unterwasserbewuchs – Innovatives Antifouling-System des IOW jetzt reif für Serienproduktion

28.02.2020 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics