GEHEIMSpRACHE DER NEURONEN

Weitere Magazine

Empfehlungen

Info

potenziale, die dabei von den Neuronen erzeugt werden, sehen alle gleich aus. So wie die verschiedenen Wörter unserer Sprache immer aus denselben Buchstaben bestehen, so kann man den Spike als das Grundelement der Sprache der Neuronen betrachten. Die stets gleiche Form der Spikes macht die unterschiedlichsten Stimuli, wie beispielsweise Hör- und Sehreize, in der Hirnrinde miteinander kombinierbar. Man vermutet deshalb, dass alle Gedanken und Wahrnehmungen – und seien sie noch so abstrakt – auf Spikes beruhen, deren Kombinationen den neuronalen Code bilden. Woher „weiß“ ein Neuron, dass die bei ihm eingehende Information ein Duft ist und nicht etwa ein Klang? Diese so genannte Reizmodalität wird durch die neuronale Bahn codiert, die vom Sinnesrezeptor über möglicherweise mehrere Zwischenstufen bis zu diesem Neuron führt. Ein Neuron kann aber noch mehr wissen: So fanden David Hubel und Torsten Wiesel an der Havard Medical School vor etwa vierzig Jahren heraus, dass bestimmte Neuronen der primären Sehrinde (visueller Cortex) besonders gut auf Licht-Balken einer ganz bestimmten Orientierung ansprechen, die in einem begrenzten Teil des Gesichtsfeldes, dem so genannten rezeptiven Feld, liegen und in eine bestimmte Richtung bewegt werden. Bei diesen Versuchen maßen die Neurobiologen die so genannte Ratenantwort einzelner Cortexneuronen auf bestimmte Test-Reize (siehe Grafik Seite 82 unten). Sie gingen dabei davon aus, dass die wesentliche Information in der Anzahl der Aktionspotenziale pro Zeiteinheit steckt. Die Rate lässt sich bestimmen, indem man die Anzahl der Aktionspotenziale in einem hinreichend langen Zeitintervall zählt und anschließend durch die Länge des Intervalls teilt. Die beiden Wissenschaftler machten noch eine weitere interessante Entdeckung: Neuronen, die auf ähnliche Positionen und Orientierungen ansprechen, liegen auch im Cortex räumlich nahe beieinander. Dies bedeutet, dass Positionen und Orientierungen visueller Reize wie bei einer Landkarte auf die Cortexoberfläche abgebildet werden (siehe Bild Seite 84). Neuronen, die innerhalb einer schmalen Säule senkrecht zur Cortexoberfläche, in so genannten corticalen Säulen, angeordnet sind, reagieren auf ähnliche Reizmerkmale. Für diese Ent- Der Mensch erkennt sein Sp iegelbild, aber wird er je den Code v erstehen, mit dem sein Gehirn dieses Bild v erschlüsselt? GEHI R N & GEI S T 02/2002 Aus urheber rec htlic hen Gründen können wir Ihnen die Bilder leider nic ht online z eigen. 81
CODIERUNG deckungen wurden Hubel und Wiesel 1981 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Eine ähnliche Karte existiert für den motorischen Cortex, der die Bewegungen der Körperteile plant und steuert. Er ist die „Ausgabeseite“ des Gehirns; auch dort führen benachbarte neuronale Aktivitäten zur Erregung benachbarter Muskelgruppen. Misst man die Aktivität von Neuronen in diesen motorischen Arealen, so stellt man fest, dass auch hier die Anzahl der Aktionspotenziale pro Zeiteinheit mit unterschiedlichen Parametern der Bewegung korrespondiert. Mit anderen Worten: Die Feuerrate dieser Neuronen codiert Bewegungen. Um einen brauchbaren Wert für die Ratenantwort zu erhalten, ist ein Zeitfenster in der Größenordnung von mindestens einer Sekunde notwendig, sonst wäre der Wert von der zufälligen Auswahl des „Zeitfensters“ zu sehr abhängig. Denn die Neurone feuern in diesem Zeitintervall meist nicht regelmäßig. Es wäre denkbar, dass nicht nur die Anzahl der Spikes, sondern auch das zeitliche Muster, mit dem die Spikes erscheinen, Informationen in sich bergen. Um diese ausfindig zu machen, wird das Zeitfenster in viele kleinere Intervalle zerlegt und über viele Versuchswiederholungen hinweg die mittlere Anzahl der Spikes pro Intervall bestimmt. Das Ergebnis ist das so genannte Peri-Stimulus-Time-Histogramm (PSTH, siehe Kasten Seite 85). Wenn diese verfeinerte Darstellung tatsächlich mehr Information trägt als die bloße Anzahl der Aktionspotenziale pro Zeiteinheit, dann sollte es möglich sein, daraus auch viel genauer auf den ver- 82 Rezeptorzellen zwischengeschaltete Neurone Gedächtnis, Gedanken, Seele und so weiter Motoneuron Muskelzellen Kettenreaktion: An der Eingangsseite der Nervenbahnen stehen Sinneszellen, etwa die der Augen oder Ohren. Diese spezialisierten Nervenzellen wandeln die Information von außen – zum Beispiel Licht oder Schallwellen – in elektrische Nervenimpulse um. Die Information wird dann stufenweise von einer Neuronengruppe zur nächsten weitergereicht. ursachenden Reiz zurückzuschließen. Lance Optican und Barry Richmond von den National Institutes of Health in Bethesda (Maryland) fanden 1987 als Erste heraus, dass dies tatsächlich möglich ist. Sie zeigten einer Katze unterschiedliche schachbrettartige Muster. Sie konnten auf Grund des PSTH eines Neurons im visuellen Cortex der Katze den präsentierten visuellen Reiz identifizieren, was aus der Gesamtzahl der Spikes allein nicht so gut möglich war. Das Hirn als gigantisches Telegrafenamt? Da also prinzipiell verschiedene Aspekte der neuronalen Aktivitäten Information über einen Reiz enthalten können, stellt sich die Frage, welche dieser Aspekte wesentlich sind. Tragen beispielsweise die Zeitpunkte der Spikes mehr Information über den Reiz als die schiere Anzahl? Dazu muss man wissen, wie viele Reizwerte ein Neuron überhaupt unterscheiden kann. Ein Konzept zur Beantwortung dieser Frage liefert die 1948 von Claude Shannon begründete Informationstheorie. Sie basiert auf drei Elementen: einem Sender, einem Empfänger und einem Informationskanal zwischen diesen beiden – typischerweise eine Telegrafenleitung. Über diesen Kanal schickt der Sender Folgen von Zeichen (die Nachricht), die einem Zeichenvorrat (dem „Alphabet“) entnommen sind. Über die Bedeutung des Zeichens haben sich Sender und Empfänger vorab verständigt. Die Ankunft der Information bewirkt beim Empfänger, dass er aus einem Sortiment von Möglichkeiten eine THOMAS BRAUN / G&G / NACH DAVID H. HUBEL einzige auswählen kann. Je größer die Anzahl unterscheidbarer Möglichkeiten, desto mehr Information steckt in der Nachricht. Ein uneingeweihter Beobachter, der nichts weiter wahrnimmt als die Folge der Zeichen, versteht die Bedeutung der Nachricht nicht. Trotzdem kann auch er eine Aussage darüber treffen, wie viel Information die Nachricht enthalten kann. Denn das mathematisch errechenbare Maß für die Information hängt ausschließlich von den relativen Häufigkeiten ab, mit denen die Zeichen in der Nachricht vorkommen. Ein seltenes Zeichen hat dabei mehr Informationswert für den Empfänger als ein häufiges. Intuitiv nachvollziehbar wird diese informationstheoretische Aussage, wenn Sie sich vorstellen, Sie erwarteten ein Telegramm, in dem ein Freund den Wochentag seines Besuchs ankündigen will. Leider wird die Nachricht bei der Übertragung dramatisch verstümmelt und es kommt nur ein einziger leserlicher Buchstabe an. Welcher Buchstabe hätte den größeren Informationsgehalt für Sie, ein a oder ein f? (Bei wie vielen Wochentagen kommt ein f vor?) Das einfachste denkbare Alphabet besteht aus nur zwei Zeichen, etwa 0 und 1 („binärer Code“). Vorausgesetzt, beide Zeichen werden zuverlässig übertragen und kommen gleich häufig vor, ist die Information, die mit einem solchen Zeichen übermittelt wird, 1 Bit; das ist die Maßeinheit der Information. Was Sender und Empfänger sich bei der zwischen ih- Neuron mit Vorliebe: Antworten einer orientierungsspezifischen Zelle im primären visuellen Cortex einer Katze, die von D. Hubel und T. Wiesel 1958 erstmals gemessen wurden. Die Zelle feuerte fast ausschließlich auf einen Lichtbalken in 11-Uhr-Stellung, der von unten nach oben bewegt wurde. GEHIRN & GEIST 02/2002 THOMAS BRAUN / G&G / NACH DAVID H. HUBEL
Seite 1: CODIERUNG NEUROTH EORIE CODIERUNG G
Seite 5 und 6: THOMAS BRAUN / G&G / NACH SWINDALE
Seite 7 und 8: THOMAS BRAUN / G&G / NACH BORST, A.

GEHEIMSpRACHE DER NEURONEN

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?