Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Signalkodierung und Informationsverarbeitung im Gehirn: Wenige Neuronen für präzise Informationsverarbeitung nötig

04.08.2008
Tübinger Neurophysiologen veröffentlichen aktuell in Nature Neuroscience

Unser Gehirn leistet Tag für Tag Unglaubliches: es ermöglicht uns, uns in unserer Umwelt mit all ihren großen und kleinen Schwierigkeiten zurechtzufinden.

Es besteht aus vielen Milliarden kleinen Bauteilen, den Nervenzellen. Diese Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die Rechenelemente, deren Aktivität komplexe Phänomene wie Denken oder Wahrnehmung produziert.

Anders als Rechenelemente in modernen Computern sind Neuronen allerdings äußerst launisch. Präsentiert man zum Beispiel einem Neuron, welches für visuelle Wahrnehmung zuständig ist, hundertmal hintereinander das gleiche Bild, wird man hundert leicht unterschiedliche Reaktionen erhalten.

... mehr zu:
»Nervenzelle »Neuron

Nach einer gängigen Theorie zählt daher im Gehirn die Aktivität eines einzelnen Neurons wenig; stattdessen nimmt man an, dass Informationen in großen Nervenzellverbünden - bestehend aus Tausenden von Neuronen - gespeichert sind, wobei jedes einzelne Neuron nur einen Bruchteil der Information liefert. Nach dieser Theorie ist das Gehirn verschwenderisch angelegt - es begnügt sich lieber mit mehreren Milliarden unzuverlässigen Bauteilen, um seine Aufgaben zu verrichten, als sich auf wenige, dafür aber zuverlässige Bauteile zu verlassen.

Maik Stüttgen und Cornelius Schwarz vom Tübinger Hertie-Institut für Klinische Hirnforschung stellen diese Ansicht mit ihrer neu erschienen Studie (Online-Vorabveröffentlichung von Nature Neuroscience) auf den Kopf. Die Tübinger Forscher fragten sich, wie viele Nervenzellen eigentlich notwendig sind, um eine relativ einfache Aufgabe zu bewerkstelligen, nämlich den Zeitpunkt eines kurzen und schwachen Sinnesreizes anzuzeigen.

Hierzu dressierten die zwei Wissenschaftler Ratten auf genau diese Aufgabe. Die Ratten sollten den Forschern den Zeitpunkt anzeigen, an dem eines ihrer Schnurrhaare (Vibrissen) bewegt wurde. Dies ist für Ratten nicht weiter schwierig - die extrem kurzsichtigen Tiere setzen ihre Schnurrhaare sehr geschickt zur räumlichen Orientierung und Objekterkennung ein, und können mit 25-30 dieser dünnen Tasthaare auf beiden Seiten der Schnauze Gegenstände ähnlich gut unterscheiden wie Menschen mit ihren fünf Fingern.

Als die Forscher jedoch die Aktivität einzelner Nervenzellen in der Großhirnrinde der Tiere beobachteten, ergab sich Überraschendes: nicht nur, dass sich lediglich ein Bruchteil der verfügbaren Zellen überhaupt die Mühe machte, die leichten Berührungen zu signalisieren. Selbst die relativ wenigen Zellen, die dies taten, zeigten nur eine minimale Reaktion, und dies auch nur für den Bruchteil einer Sekunde, genau genommen eine vierzigstel Sekunde. Im Wissenschaftsjargon wird eine derartige Informationskomprimierung als 'sparse coding' bezeichnet - d.h. Information (hier die An- oder Abwesenheit eines Reizes) wird auf eine hoch effiziente Art und Weise übermittelt.

Die Frage war nun, wie viele Neuronen theoretisch nötig sind, um die schwachen Signale, die zu nicht genau bekannten Zeitpunkten präsentiert wurden, ebenso gut wie die Ratte zu detektieren. Stüttgen und Schwarz nutzten die mathematische Maschinerie der so genannten receiver operating characteristic (ROC), einer Methode, die schon im 2. Weltkrieg zur Auswertung von Radarbildern genutzt wurde, und setzten Computersimulationen ein, um dies zu berechnen.

Das Ergebnis dieser Analyse zeigt, dass hierfür im Prinzip nur ein sehr kleiner Nervenzellverbund von fünf gleichzeitig aktiven Neuronen benötigt wird. Diese sehr kleine Zahl steht in deutlichem Kontrast zur gängigen Annahme, dass nur extrem große Nervenzellverbünde Signale verlässlich verarbeiten können.

Diese Resultate haben weitreichende Konsequenzen für unser Verständnis von Signalkodierung und Informationsverarbeitung im Gehirn.

Das Ergebnis zeigt, dass nur wenige Neuronen nötig sind, um Informationen extrem präzise und zuverlässig verarbeiten können. In Verbindung mit der gigantischen Zahl von möglicherweise Hundert Milliarden Nervenzellen des menschlichen Gehirns bedeutet dies, dass die Informationskapazität dieses biologischen Apparats noch größere Ausmaße besitzt als bislang erahnt.

Titel der Originalarbeit
Stüttgen M.C. and Schwarz C. (2008) Psychophysical and neurometric detection performance under stimulus uncertainty. Nat. Neurosci. DOI 10.1038/nn.2162
Ansprechpartner für nähere Informationen:
Universitätsklinikum Tübingen
Zentrum für Neurologie, Hertie-Institut für klinische Hirnforschung
PD Dr. Cornelius Schwarz
Otfried Müller Str. 27, 72076 Tübingen
Tel. 07071/29-8 04 62, Fax 07071/29-57 24
E-Mail: cornelius.schwarz@uni-tuebingen.de

Dr. Ellen Katz | idw
Weitere Informationen:
http://www.medizin.uni-tuebingen.de/
http://www.hih-tuebingen.de/en/departments/kn/forschung0/active-perception-lab/

Weitere Berichte zu: Nervenzelle Neuron

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizin Gesundheit:

nachricht Gangmessdaten visualisieren und analysieren
16.07.2018 | Fachhochschule St. Pölten

nachricht „Small meets smaller“ – Nanopartikel beeinflussen Schimmelpilzinfektion der Atemwege
05.07.2018 | Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizin Gesundheit >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

Materialien für eine Nachhaltige Wasserwirtschaft – MachWas-Konferenz in Frankfurt am Main

11.07.2018 | Veranstaltungen

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

Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

17.07.2018 | Energie und Elektrotechnik

Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

17.07.2018 | Physik Astronomie

Künstliche neuronale Netze helfen, das Gehirn zu kartieren

17.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

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