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Neurologie 20. Februar 2008

Weniger chaotisch als gedacht

Wie empfindlich reagieren neuronale Netzwerke auf äußere Störeinflüsse? Wie genau sind Prozesse in Nervenzell-Netzwerken (und damit das Denken) vorherbestimmt? Diese Fragen haben Wissenschaftler mit Hilfe mathematischer Modelle untersucht. Ihr Ergebnis: Das Verhalten neuronaler Netzwerke ist besser vorhersagbar als bisher angenommen, wie die Physical Review Letters berichten (1. Februar 2008).

Im menschlichen Gehirn kommunizieren mehr als 100 Milliarden Nervenzellen miteinander über ein weit verzweigtes Netzwerk. Sie verarbeiten Informationen in Form von elektrischen Impulsen. Jede Zelle verrechnet die Signale der ihr vorgeschalteten Zellen. Wann sie selbst einen Impuls sendet, hängt vom Ergebnis dieser Berechnung ab.
Ein solches System neuronaler Signalweitergabe haben Wissenschaftler vom Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience des Max-Planck-Institutes für Dynamik und Selbstorganisation mathematisch analysiert und ihre daraus abgeleitete Theorie anhand von Computersimulationen überprüft.
Wie im Gehirn folgt auch im mathematischen Modell die Dynamik neuronaler Signalweitergabe keiner erkennbaren Ordnung – in scheinbar unvorhersehbarer Weise senden die Nervenzellen Impulse. Aber wie unvorhersehbar ist ein solches System wirklich?
„Chaotisch“ nennen Wissenschaftler ein System, in dem geringfügige Unterschiede in den Anfangsbedingungen zu völlig verschiedenen Entwicklung führen können. Das Verhalten chaotischer Systeme lässt sich nicht langfristig vorhersagen. „Der Flügelschlag eines Schmetterlings im Amazonas-Urwald kann einen Orkan in Europa auslösen“, so veranschaulichte in den 1960ern der Mathematiker und Meteorologe Edward N. Lorenz diesen Effekt.
Im Jahre 1996 zeigten Wissenschaftler an der Hebrew University in Israel in einer theoretischen Studie, dass die im Gehirn beobachtete irreguläre neuronale Aktivität ebenfalls durch ein solches chaotisches Verhalten begründet werden kann. Das Netzwerk würde demnach eine ganz andere Dynamik entwickeln, wenn auch nur ein einzelnes Neuron einen Bruchteil einer Sekunde früher oder später ein Signal aussendet.
Dies aber gilt nur unter bestimmten Umständen, wie die deutschen Forscher nun herausgefunden haben. „Eine Kombination verschiedener neuer Methoden hat es uns ermöglicht, jeden einzelnen Impuls eines Neurons im Netzwerk zu berücksichtigen“, so Sven Jahnke vom Max-Planck-Institut in München. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass ein neuronales Netzwerk unter bestimmten Bedingungen gegenüber kleinen zeitlichen Verschiebungen neuronaler Impulse eher unempfindlich ist. Genügend ähnliche Muster neuronaler Aktivität entwickeln demnach keine gänzlich unterschiedliche Dynamik, wie man das von einem chaotischen System erwarten würde, im Gegenteil, sie gleichen sich sogar langfristig aneinander an. Im Gehirn könnte dies dazu beitragen, dass bestimmte Aktivitätsmuster hochgradig präzise in der Zeit auftreten, dass also Information in solchen Netzwerken zeitlich exakt verarbeitet wird.Obwohl das Netzwerk unter statistischen Gesichtspunkten sehr irregulär erscheint, muss es sich dabei nicht um ein chaotisches System handeln, es kann vielmehr auch über längere Zeiträume vorhersagbar sein. Wann das Gehirn chaotisch reagiert und wann vorhersagbar, muss laut den Studienautoren noch genauer untersucht werden. In jedem Falle ist die Dynamik neuronaler Netzwerke, auch wenn sie hochgradig irregulär ist, nicht immer so kompliziert wie lange Zeit angenommen.

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