Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn Nervenzellen Muster für erlerntes Wissen erkennen

10.11.2016

Forscher aus Heidelberg und Graz untersuchen, wie Neurone Wahrscheinlichkeitsverteilungen abtasten

Bei Beobachtungen, die auf sogenannten Sinnesdaten beruhen, muss das menschliche Gehirn ständig überprüfen, welche „Version“ von Realität dieser Wahrnehmung zugrunde liegt. Dabei gewinnt es seine Antwort aus sogenannten Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die im Netzwerk der Nervenzellen selbst gespeichert sind. Die Neurone können darin Muster erkennen, die erlerntes Wissen widerspiegeln.


Abtasten einer Wahrscheinlichkeitsverteilung von handgeschriebenen Zahlen durch ein stochastisches Netzwerk

Mihai A. Petrovici

Das belegen Untersuchungen mit Hilfe mathematischer Methoden, die Physiker der Universität Heidelberg gemeinsam mit Wissenschaftlern der Technischen Universität Graz durchgeführt haben. Die aktuellen Forschungsergebnisse sind von großer Bedeutung für die Entwicklung neuartiger Computersysteme. Sie wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review“ veröffentlicht.

Eine der wichtigsten Funktionen unseres Gehirns ist es, ein internes Modell unserer Umgebung zu erschaffen. Dabei stehen ihm zwei Kategorien von Information zur Verfügung – das erlernte Wissen über bekannte Objekte und ein stetiger Strom von Sinnesdaten, die mit dem bereits vorhandenen Wissen abgeglichen werden und dieses kontinuierlich ergänzen. Diese Sinnesdaten sind die einfachsten Bausteine der Wahrnehmung, die damit „unmittelbar“ vorliegen.

Dennoch sind Beobachtungen, die auf Sinnesdaten beruhen, oftmals gleichzeitig mit mehreren „Realitäten“ kompatibel, wie das Phänomen der optischen Täuschungen eindrücklich beweist. Das Gehirn steht daher vor der Herausforderung, sich aller möglichen Versionen der zugrundeliegenden Wirklichkeit bewusst zu werden. Dabei springt es zwischen diesen Versionen der Realität hin und her – das Gehirn tastet eine Wahrscheinlichkeitsverteilung ab.

Die Wissenschaftler um den Heidelberger Physiker Prof. Dr. Karlheinz Meier haben diesen Prozess mit Hilfe formaler mathematischer Methoden auf dem Niveau einzelner Nervenzellen, sogenannter Neurone, untersucht. Das verwendete Modell einzelner Neurone ist dabei strikt deterministisch. Dies bedeutet, dass bei einer wiederholten Stimulation durch äußere Reize immer dasselbe Antwortverhalten hervorgerufen wird. Das Gehirn ist jedoch ein Netzwerk aus miteinander kommunizierenden Neuronen.

Wenn eine Nervenzelle stark genug von ihren Nachbarn angeregt wird, feuert sie einen kurzen elektrischen Puls ab und regt damit ihrerseits andere Neurone an. In einem großen Netzwerk aus aktiven Neuronen werden Nervenzellen dadurch stochastisch – ihre „Antwort“ ist nicht mehr bestimmt, also exakt vorhersagbar, sondern folgt statistischen Regeln der Wahrscheinlichkeit.

„Mit unseren Untersuchungen konnten wir zeigen, dass solche Neurone ihre Antwort aus Wahrscheinlichkeitsverteilungen gewinnen, die im Netzwerk selbst gespeichert sind und von den Nervenzellen abgetastet werden“, erläutert Prof. Meier. Auf diese Weise können Neurone beispielsweise Muster erkennen, die erlerntes Wissen widerspiegeln.

Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des europäischen Human Brain Project durchgeführt, in dem die Heidelberger Wissenschaftler unter der Leitung von Karlheinz Meier neuartige Computersysteme nach dem Vorbild des Gehirns entwickeln.

„Das Konzept der statistischen Abtastung erlernter Wahrscheinlichkeiten eignet sich sehr gut für eine Umsetzung in einer neuen Architektur für Computer. Es stellt einen Schwerpunkt der aktuellen Forschung unserer Arbeitsgruppe dar“, so der Physiker, der am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg lehrt und forscht.

Originalveröffentlichung:
M.A. Petrovici, J. Bill, I. Bytschok, J. Schemmel, and K. Meier: Stochastic inference with spiking neurons in the high-conductance state. Physical Review E 94, 042312 (published 20 October 2016), doi: 10.1103/PhysRevE.94.042312

Kontakt:
Dr. Mihai A. Petrovici
Kirchhoff-Institut für Physik
Telefon (06221) 54-9897
mpedro@kip.uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle, Telefon (06221) 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Weitere Informationen:

http://www.kip.uni-heidelberg.de/vision

Marietta Fuhrmann-Koch | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: Computersysteme Gehirn Nervenzellen Neurone

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Klassisches Doppelspalt-Experiment in neuem Licht
21.01.2019 | Universität zu Köln

nachricht Neue Erkenntnisse über magnetische Quanteneffekte in Festkörpern
21.01.2019 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Zweigesichtige Stammzellen produzieren Holz und Bast

Heidelberger Forscher untersuchen einen der wichtigsten Wachstumsprozesse auf der Erde

Für einen der wichtigsten Wachstumsprozesse auf der Erde – die Holzbildung – sind sogenannte zweigesichtige Stammzellen verantwortlich: Sie bilden nicht nur...

Im Focus: Bifacial Stem Cells Produce Wood and Bast

Heidelberg researchers study one of the most important growth processes on Earth

So-called bifacial stem cells are responsible for one of the most critical growth processes on Earth – the formation of wood.

Im Focus: Energizing the immune system to eat cancer

Abramson Cancer Center study identifies method of priming macrophages to boost anti-tumor response

Immune cells called macrophages are supposed to serve and protect, but cancer has found ways to put them to sleep. Now researchers at the Abramson Cancer...

Im Focus: Klassisches Doppelspalt-Experiment in neuem Licht

Internationale Forschergruppe entwickelt neue Röntgenspektroskopie-Methode basierend auf dem klassischen Doppelspalt-Experiment, um neue Erkenntnisse über die physikalischen Eigenschaften von Festkörpern zu gewinnen.

Einem internationalen Forscherteam unter Führung von Physikern des Sonderforschungsbereichs 1238 der Universität zu Köln ist es gelungen, eine neue Variante...

Im Focus: Ten-year anniversary of the Neumayer Station III

The scientific and political community alike stress the importance of German Antarctic research

Joint Press Release from the BMBF and AWI

The Antarctic is a frigid continent south of the Antarctic Circle, where researchers are the only inhabitants. Despite the hostile conditions, here the Alfred...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Führende Röntgen- und Nanoforscher treffen sich in Hamburg

22.01.2019 | Veranstaltungen

Smarte Sensorik für Mobilität und Produktion 4.0 am 07. Februar 2019 in Oldenburg

18.01.2019 | Veranstaltungen

16. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

17.01.2019 | Veranstaltungen

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

Zweigesichtige Stammzellen produzieren Holz und Bast

22.01.2019 | Biowissenschaften Chemie

Wie tickt die rote Königin?

22.01.2019 | Biowissenschaften Chemie

Digitaler Denker: Argument-Suchmaschine hilft bei der Meinungsbildung

22.01.2019 | Informationstechnologie

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