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23.11.2015

Kein Kabelsalat im Gehirn

Das Gehirn nutzt keine zufälligen, sondern vermutlich selbstorganisierte Netzwerke zur visuellen Informationsverarbeitung

Unser Gehirn ist eine rätselhafte Rechenmaschine. Milliarden von Nervenzellen sind darin so verschaltet, dass sie Information vergleichbar effizient ablegen, wie Bücher in einer gut sortierten Bibliothek geordnet werden. Doch bislang sind viele Details unklar, beispielsweise nach welchen Regeln die Nervenzellen des Gehirns miteinander verknüpft werden und wie die Informationen darin organisiert sind. Ein internationales Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation und Bernstein Centers for Computational Neuroscience in Göttingen hat nun herausgefunden, dass es sich dabei nicht um zufällige Verschaltungen handelt. Diese Möglichkeit hatten Wissenschaftler in den vergangenen Jahren in Erwägung gezogen, weil rein zufällig verschaltete Netzwerke in Computern gut funktionieren. Um die Hypothese zu überprüfen, hat das Team um die Max-Planck-Forscher untersucht, ob das Gehirn zufällige neuronale Verbindungen für die Verarbeitung visueller Reize nutzt. Dazu berechneten sie Vorhersagen, die auf der Hypothese zufälliger Verschaltungen beruhen. Die Ergebnisse verglichen sie dann mit Präzisionsmessungen der Gehirnarchitektur verschiedener Säugetiere. Das Ergebnis: zufällige Verschaltungen reichen nicht aus, um Netzwerke des Gehirns zu erklären. Die Forscher gehen davon aus, dass sich anfänglich zufällige Verbindungen in der Sehrinde durch selbstorganisierte Lernprozesse zu einem wohlgeordneten Netzwerk umformen. Dem Zufall bleibt dabei letztlich wenig überlassen.

Die Nervenzellen im menschlichen Gehirn sind miteinander verschaltet und bilden einen scheinbar undurchschaubaren Kabelsalat. Allein in einem nur einen Kubikmillimeter großen Würfel menschlichen Hirngewebes sind mehrere Kilometer Nervenkabel verlegt. Ein Teil dieser Verbindungen könnte vom Zufall bestimmt sein, denn Zufallsnetzwerke können zumindest theoretisch sehr effizient Information verarbeiten. Nehmen wir das visuelle System: In der Netzhaut befinden sich eine Millionen Nervenzellen, die visuelle Information für die mehr als 100 Millionen Zellen in der Sehrinde bereitstellen. Die Sehrinde ist der Teil des Gehirns, in den Nervenreize von der Netzhaut zuerst gelangen.

 
Zufällig geknüpft? Im Fluoreszenzmikroskop wird das weitgehend zufällige Netzwerk sichtbar, das Nervenzellen in einer Zellkultur bilden. Ob die Nervenzellen im Gehirn zufällig verschaltet werden, hat ein internationales Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation und Bernstein Centers for Computational Neuroscience (BCCN) Göttingen untersucht.



In der Sehrinde werden verschiedene Aspekte wie etwa die räumliche Orientierung, Farbe und Größe von Objekten aus der visuellen Welt getrennt voneinander verarbeitet. Das ist vergleichbar damit, dass sich Bücher in einer Bibliothek leichter finden lassen, wenn sie nicht nur nach der alphabetischen Reihenfolge ihrer Titel, sondern gleichzeitig nach Genre und der alphabetischen Ordnung ihrer Autoren sortiert werden. Diese verschiedenen Kriterien für die Sortierung von Büchern werden in der Bibliothek an unterschiedlichen Orten berücksichtigt, wenn sie auch kaum zufällig verteilt sein dürften,.

Ganz ähnlich können auch die verschiedenen Facetten unserer visuellen Wahrnehmung in der Sehrinde an verschiedenen Orten abgelegt werden. Und diese Orte könnten zufällig verteilt sein. Mathematische Beweise haben gezeigt, dass eine zufällige Verteilung der Information über unterschiedliche Eigenschaften eines Gegenstandes in Computern besonders gut geeignet ist, um die Eigenschaften deutlich voneinander zu trennen, und zwar umso mehr, je mehr Eigenschaften berücksichtigt werden.

Benachbarte Zellen reagieren auf ähnlich orientierte Kanten

„Dass zufällige Verschaltungen in Nervensystemen tatsächlich existieren, haben Neurobiologen vor zwei Jahren im Geruchssystem der Fruchtfliege experimentell gezeigt“ erklärt Manuel Schottdorf, Forscher am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Ob aber das Gehirn von Säugetieren die möglichen Vorteile zufälliger Verschaltungen tatsächlich ausnutzt, oder ob es eher auf selbstorganisierte Nervennetze setzt, war bislang unklar. Das Durcheinander aller neuronalen Verbindungen im Gehirn zu entwirren, ist bisher unmöglich. Daher bediente sich das Team, dem neben den Max-Planck-Wissenschaftlern um Fred Wolf auch Kollegen der Rockefeller University in New York und der Duke University in North Carolina angehörten, einer alternativen Methode: Die Forscher analysierten die Funktionsweise der Schaltkreise in der Sehrinde und zogen daraus Rückschlüsse über deren Aufbau.

Wie Neurobiologen bereits seit längerem wissen, helfen uns Nervenzellen in diesem Teil des Gehirns unter anderem, die Kanten von Objekten zu erkennen. Jede Nervenzelle bevorzugt dabei eine Orientierung von Kanten, auf die sie besonders stark reagiert, beispielsweise senkrechte, waagrechte, oder schräge. Benachbarte Zellen favorisieren meistens ähnliche Kantenorientierungen. Eine Ausnahme bilden einzelne Punkte, sogenannte Orientierungszentren, in denen die bevorzugten Orientierungen der umgebenden Zellen wie die Flügel eines Windrädchens zusammentreffen.

Zufallsverschaltungen exakt berechnet

Wie viele dieser Zentren existieren und wie sie im Gewebe verteilt sein müssten, wenn die Idee der Zufallsverschaltungen gilt, haben die Göttinger Wissenschaftler exakt berechnet. Diese Vorhersagen unterschieden sich jedoch von der tatsächlichen Verteilung der Orientierungszentren, die Präzisionsmessung offenbarten. Die Messungen nahmen die Max-Planck-Forscher in Zusammenarbeit mit Experimentatoren der Duke University vor. Unter anderem beobachteten die Forscher dabei in einem bestimmten Volumen von Nervenzellen weniger Orientierungszentren, als die Berechnungen für zufällige Verknüpfungen ergaben. Zufällige Verschaltungen können die tatsächliche Anordnung der Orientierungszentren im Gehirn also nicht erklären. Modelle, in denen sich die Netzwerke selbstorganisiert formen, können dagegen nicht nur die Anzahl sondern auch die sehr komplexe räumliche Anordnung der Zentren präzise nachbilden.

Die Forscher schließen nicht aus, dass anfangs zufällige Verbindungen vorhanden sein können, wenn sich das Gehirn entwickelt. Durch visuelle Erfahrung und die dynamische Umbildung von Nervenverbindungen reorganisiert sich das Gehirn jedoch so weitgehend, dass von den anfänglichen Verbindungen wohl kaum etwas übrig ist. „Die Selbstorganisation der Schaltkreise im Gehirn ist nach unserer Studie die plausibelste Theorie für die Feinstruktur der Schaltkreise des visuellen Systems.“, erklärt Wolfgang Keil, der am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation promovierte und gegenwärtig an der Rockefeller University forscht. Zu dieser Erkenntnis passt, dass Säugetiere, also auch wir Menschen, erst nach der Geburt sehen lernen. Für den vollen Durchblick reichen zufällige Netzwerke, wie sie anfangs möglicherweise vorhanden sind, offenbar nicht aus.