GEHEIMSpRACHE DER NEURONEN

Codes für alle Fälle
Denkbar einfaches Alphabet: Ist der
Spike das Grundelement der neuronalen
Sprache, so verwenden Nervenzellen
genau zwei Zeichen: Spike oder
kein Spike, 0 oder 1.
Für die Codierung von genau zwei
möglichen Werten würde es dann genügen,
wenn ein Neuron zuverlässig in einem
irgendwie festgelegten Zeitfenster
für den einen Wert einen Spike aussendet
und für den andere nicht.
Beispiel: Bei der in (a) verwendeten
Codierung passt in das Zeitfenster nur
ein einzelner Spike. Die Orientierung
eines präsentierten Lichtbalkens kann
deshalb nur sehr grob unterschieden
werden: Senkrecht erfolgt keine Aktivierung,
waagrecht wird ein Spike ausgelöst.
Existenz solcher Neuronen ist allerdings
noch kein hinreichender Nachweis. Bestimmt
man über viele Versuche hinweg
die Ratenantwort, ergeben sich auch bei
diesen Neuronen Feuerraten, die sich abhängig
von der variierten Reizeigenschaft
stetig ändern.
Funktionieren
geht über Codieren
Unsere und ähnliche von anderen Forschergruppen
in jüngster Zeit durchgeführten
Untersuchungen deuten darauf
hin, dass die beobachteten neuronalen
Codierungen, verglichen mit den informationstheoretisch
möglichen, nicht unbedingt
optimal sind. Ein Grund dafür
könnte folgender sein: Damit ein Organismus
überleben kann, müssen entscheidungswirksame
Informationen richtig
repräsentiert werden. Aus theoretischer
Sicht impliziert dies wiederum,
dass die größtmögliche Informationsmenge
mit geringstem Aufwand zu
transportieren nicht das einzige relevante
Ziel einer Codierung darstellt. Offensichtlich
ist das Ziel neuronaler Informationsverarbeitung
im Gehirn nicht, so
viel Information wie möglich zu transportieren.
Vielmehr geht es darum, die
implizit bereits vorhandene Information
auf das Wesentliche zu reduzieren und
dadurch für Entscheidungen explizit
nutzbar zu machen.
Ein Beispiel: Es soll entschieden
werden, ob 51 x 17 größer ist als 24 x 37.
GEHIRN & GEIST 02/2002
In (b) verwendet der Code zwei aufeinander
folgende Zeitintervalle. Damit
lassen sich bereits vier Reizorientierungen
unterscheiden (waagrecht, senkrecht
und zweimal diagonal).
Hat man mehrere Intervalle zur Verfügung
(c, d) ergeben sich verschiedene
Codierungsmöglichkeiten. Mit drei Intervallen
sind es maximal 8=2 3 .
Beim Ratencode in (c) lassen sich die
verschiedenen Balkenorientierungen
bereits durch die Anzahl der Spikes differenzieren.
In (d) ist ein anderes Unterscheidungskriterium
verwirklicht: Hier
kommt es lediglich auf den Zeitpunkt
des ersten Spikes an, es handelt sich
um einen so genannten Latenzcode.
Der gezeigte Ratencode und der La-
Dabei ist die gesamte zur Lösung notwendige
Information bereits in der Aufgabenstellung
vorgegeben. Um diese Information
zur Beantwortung der Frage
nutzen zu können, müssen die gegebenen
Ausdrücke jedoch zunächst in geeigneter
Weise umgeformt werden. Am Ende
steht anstelle der zahlreichen Bits, die
zur Codierung der Frage erforderlich
sind, ein einziges Bit: die Antwort
„nein“.
Führt man eine komplizierte Berechnung
durch, die eine große Zahl von
Zwischenschritten erfordert, schleicht
sich mit hoher Wahrscheinlichkeit irgendwo
ein kleiner Fehler ein, der zu einem
falschen Ergebnis führen kann. Die
Effizienz bei der neuronalen Codierung
entspricht dann einem Kriterium für die
Auswahl einer „Notation“, also einer
Darstellung der relevanten Information,
die sich besonders gut dazu eignet, Übertragungsfehler
zu vermeiden.
Was das Gehirn als Ganzes betrifft,
so wissen wir natürlich, dass sich das
Verhalten vieler Tiere und besonders das
des Menschen nicht auf reflexartige
Handlungen reduzieren lässt, die sich
auch ohne Kenntnis der inneren Zustände
des Gehirns beschreiben lassen. Zu
viele andere Einflussgrößen sind im
Spiel – Wachheit und Aufmerksamkeit,
Emotionen und aktuelle Ziele, und nicht
zuletzt das in ständigem Fluss befindliche
Gedächtnis. Wie sich diese inneren
Zustände auf den verschiedenen Zeitska-
tenzcode lassen eine Redundanz erkennen,
bei der unterschiedliche Muster
dasselbe bedeuten. Dies kann die
Fehleranfälligkeit einer Codierung reduzieren.
(e) Man muss aber auch damit rechnen,
dass das Gehirn Spikemuster verwendet,
deren Code schwieriger zu erkennen
ist.
len von einer Sekunde bis hin zur Zeitspanne
des ganzen Lebens organisieren
und wie sie im Einzelnen auf die Informationsverarbeitung
einwirken, bleibt
eine zentrale Frage der Systemneurobiologie.
Um den neuronalen Code – die
„Sprache des Gehirns“ – umfassend verstehen
zu können, müssen Forscher in
der Zukunft vor allem klären, wie das
Gehirn mit sich selbst spricht. ◆
Matthias Bethge und Prof. Klaus Pawelzik
forschen am Institut für Theoretische Physik
der Universität Bremen.
Literaturtipps
Dayan, P., Abott, L. F: Theoretical Neuroscience.
Cambridge, MA: MIT Press 2001.
Richmond, B. J., Gawne, T. J.: The Relationship
Between Neuronal Codes and Cortical
Organization. In: Eichenbaum, H. B.,
Davis, J. L. (Hg.): Neuronal Ensembles –
Strageties for Recoding and Decoding.
New York: Wiley-Liss 1988.
THOMAS BRAUN / G&G
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