Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zwei Menschen - ein Gedanke

29.01.2007
Göttinger Max-Planck-Forscher modellieren Nerven-Netzwerke für vorgegebene Aktivitätsmuster

Obwohl kein Gehirn wie das andere aussieht, ähneln sich die Aktivitätsmuster der Neuronen bei ähnlichen Reizen sehr. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen haben nun eine Methode entwickelt, um Netzwerke aus Nervenzellen mathematisch zu modellieren, die bestimmte vorgegebene Aktivitätsmuster erzeugen. Die Forscher hoffen, mit ihrer Methode besser zu verstehen, welche der möglichen Netzwerkkonfigurationen die Evolution bevorzugt hat - und weswegen sie das tat (Physica D: Nonlinear Phenomena, Dezember 2006).


Unterschiedliche neuronale Netzwerke können das gleiche Aktivitätsmuster hervorbringen - wie hier am Beispiel eines Netzwerks aus 16 Neuronen dargestellt. Auch im Gehirn des Menschen unterscheiden sich die Strukturen neuronaler Schaltkreise von Person zu Person und können trotzdem ähnliche Dynamik haben und gleiche Funktionen zeigen. theoretischen Modellen können Memmesheimer und Timme jetzt neuronalen Dynamik eines Netzwerks auf seine möglichen Strukturen rückschließen. Bild: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

Die Nervenzellen des Gehirns sind zu einem komplexen Netzwerk miteinander verschaltet. Jede Aktivität des Gehirns lässt sich darauf zurückführen, dass Nervenzellen "feuern", das heißt, sie geben elektrische Impulse wie Morsezeichen an andere Zellen weiter. Dabei kommt es auf die genaue Dynamik der neuronalen Aktivität an. Wenn das Gehirn Sinneseindrücke aufnimmt, rechnet oder sich erinnert, verarbeitet es Informationen, die es in Folgen neuronaler Impulse in verschiedenen Nervenzellen verschlüsselt. Obwohl zwei Menschen unterschiedliche Gehirne haben, können sie den gleichen Gedanken haben.

Die Dynamik neuronaler Aktivität hängt also nur bis zu einem gewissen Grad von der Struktur neuronaler Netzwerke im Gehirn ab. Auch für viel einfachere Netzwerke als das menschliche Gehirn gilt: Unterschiedliche Strukturen können die gleiche Funktionalität zeigen. Raoul-Martin Memmesheimer und Marc Timme, Wissenschaftler am Max-Planck Institut für Dynamik und Selbstorganisation und am Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience Göttingen, haben eine mathematische Methode entwickelt, mit der sich alle Netzwerke beschreiben lassen, die eine beliebig gewählte Dynamik hervorbringen. Damit stellen sie ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem Wissenschaftler in Zukunft gezielt den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion eines neuronalen Netzwerks untersuchen können.

... mehr zu:
»Nervenzelle »Neuron

In der Naturwissenschaft untersucht man häufig die Struktur eines Systems, um daraus Schlussfolgerungen über seine Funktion zu ziehen. Memmesheimer und Timme gehen den umgekehrten Weg. "Von einigen einfachen Netzwerken kennen wir die Dynamik ihrer Aktivität, also die Funktion, nicht aber ihre genaue Struktur", meint Memmesheimer. "Eine beliebige vorgegebene Aktivitätsdynamik kann in aller Regel durch eine Vielzahl ganz verschiedener Netzwerke hervorgebracht werden. Wir haben nun eine Methode entwickelt, mit der man diese Vielfalt mathematisch erfassen kann".

Das gleicht einer mathematischen Jonglage mit vielen Unbekannten und erfordert hohe Rechenleistungen. Schon bei einem Netzwerk von nur 1000 Neuronen, bei denen jedes Neuron mit jedem verknüpft sein kann, gibt es eine Millionen mögliche Kontakte zwischen Neuronenpaaren und entsprechend eine unvorstellbar große Zahl möglicher Netzwerke. Jede Verknüpfung kann auf das nachgeschaltete Neuron hemmend oder aktivierend wirken und sich darüber hinaus noch in ihrer Stärke und Reaktionszeit unterscheiden. Die Gesamtheit aller möglichen Netzwerke für eine bestimmte Dynamik gleicht einer komplexen geometrischen Figur in einem multidimensionalen Raum, in der jeder Punkt auf der Oberfläche die Daten für eine Netzwerklösung angibt. Diese Figur haben Memmesheimer und Timme nun mathematisch beschrieben.

Die Anwendbarkeit ihres Modells untersuchten die Wissenschaftler anhand einer konkreten Fragestellung. Sie berechneten die möglichen Netzwerke, die eine bestimmte, zufällig gewählte Dynamik hervorbringen können und gleichzeitig möglichst einfach strukturiert sind: Die Zahl der Verknüpfungen und die Stärke der Synapsen sollten minimal sein. "Übertragen auf ein reales Netzwerk könnte man so zum Beispiel analysieren, welche strukturellen Optimierungsprinzipien in der Evolution wirken", so Timmes wissenschaftlicher Ausblick.

Von einigen sehr einfachen Netzwerken, die immer wiederkehrende Aktivitätsmuster zeigen, um zum Beispiel den Gang von Insekten zu steuern, kennt man die Dynamik schon recht gut. Sind solche Netzwerke durch den Druck der Evolution möglichst sparsam gebaut, oder hätte es theoretisch noch andere Netzwerke gegeben, die mit einer einfacheren Struktur die gleiche Dynamik hervorbringen können? Wie viele andere mögliche Netzwerke hätte es gegeben, die bestimmte funktionelle und strukturelle Bedingungen erfüllen? Noch gibt es auf diese Fragen keine definitive Antwort, aber mit den mathematischen Analysemethoden von Memmesheimer und Timme rückt ihre Beantwortung näher.

Originalveröffentlichung:

R.-M. Memmesheimer, M. Timme
Designing complex networks
Physica D: Nonlinear Phenomena, Dezember 2006
R.-M. Memmesheimer, M. Timme
Designing the Dynamics of Spiking Neural Networks
Physical Review Letters, 3. November 2006

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/

Weitere Berichte zu: Nervenzelle Neuron

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht VLT macht den präzisesten Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße
22.06.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Neue Phänomene im magnetischen Nanokosmos
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

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: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

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

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

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