Unser Gehirn verarbeitet sensorische Reize in Millisekunden, während komplexe Entscheidungsprozesse Minuten dauern können. Diese unterschiedlichen Zeitskalen spiegeln sich in der neuronalen Aktivität wider, die sich je nach Aufgabe schnell oder langsam ändert. Eine Studie hat gezeigt, dass diese Zeitskalen von den Verknüpfungen der neuronalen Netze abhängen.
Neuronale Zeitskalen und ihre Bedeutung
Die Neuronen in unserem Gehirn feuern unterschiedlich schnell, was auf intrinsische Schwankungen und unterschiedliche Abklingzeiten der Erregung zurückzuführen ist. Sensorische Bereiche, die schnell auf Reize reagieren müssen, arbeiten schneller als der Assoziationskortex und der präfrontale Kortex, die an komplexeren Aufgaben beteiligt sind.
Um die Ursachen für diese unterschiedlichen Zeitskalen zu verstehen, kombinierte ein Team um Roxana Zeraati von der Universität Tübingen Daten aus früheren Studien mit neuen Computersimulationen. In den Experimenten wurden Makaken darauf trainiert, einen Punkt auf einem Bildschirm zu fokussieren und auf Veränderungen verschiedener visueller Stimuli zu reagieren. Dabei wurden Hirnstrommessungen im visuellen Kortex V4 der Affen aufgezeichnet.
Die Messungen zeigten, dass die neuronale Aktivität auf mindestens zwei unterschiedlichen Zeitskalen abläuft: einer schnellen und einer langsamen. Interessanterweise verlangsamte sich die langsame Aktivität der Neuronen in den entsprechenden Bereichen noch weiter, wenn der Affe sich durchgehend auf den vorgegebenen Punkt fokussierte.
"Eine langsamere Zeitskale bedeutet, dass es eine stärkere Korrelation zwischen dem gegenwärtigen Zustand des Gehirns und seinem gerade vergangenen Zustand gibt", erklärt Zeraati. "Wenn die Neuronen mit etwas beschäftigt sind, erinnern sie sich besser an ihre eigene Vergangenheit; und das bedeutet Verlangsamung."
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Die Rolle der Netzwerkstruktur
Um die Mechanismen hinter diesen Zeitskalen zu erforschen, erstellte das Team eine Computersimulation der neuronalen Netzwerke und Prozesse. Sie testeten drei Hypothesen: Sind die unterschiedlichen Zeitskalen auf unterschiedlich schnell arbeitende Neuronen zurückzuführen? Sind ihre verschiedenen biophysikalischen Eigenschaften verantwortlich? Oder bestimmt die Struktur des Netzwerks die Geschwindigkeit?
"Unsere dritte Vermutung stellte sich als die allein richtige heraus", sagt Anna Levina. Die Art und Weise, wie die Neuronen miteinander verbunden sind, bestimmt die Zeitskala. Cluster-Netzwerke beispielsweise erzeugen langsamere Verschaltungen.
Levina vergleicht ein Cluster-Netzwerk mit dem europäischen Straßennetz: "Zwei beliebige Orte in Paris sind sehr gut miteinander verbunden; viel schwieriger ist es, von einem Dorf in Burgund zu einem Strand in Portugal zu kommen." Im Gegensatz dazu sieht das Flugliniennetz fast zufällig aus, wodurch keine so langsamen Zeitskalen entstehen können.
Die Computersimulationen mit unterschiedlichartigen Netzwerken stimmten gut mit den experimentell beobachteten Zeitskalen überein. Das Modell erklärt auch die Schwankungen während der Aufgabenbearbeitung, da die Interaktionen zwischen den Neuronen effizienter werden und sich das Tempo der neuronalen Ereignisse ändert.
Parallelen zum kosmischen Netz
Interessanterweise gibt es auch Parallelen zwischen der Struktur neuronaler Netze und der Struktur des Universums. Das menschliche Gehirn hat ein Volumen von etwa einem Liter und enthält schätzungsweise 69 Milliarden Neuronen. Das beobachtbare Universum hingegen hat ein Volumen von 2,3 Millionen Milliarden Trillionen Kubiklichtjahren und enthält mindestens 100 Milliarden Galaxien.
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In beiden Systemen machen Galaxien und Neuronen nur etwa 30 Prozent der Masse aus. Außerdem ordnen sich die Elemente (Neuronen bzw. Galaxien) in langen Fäden oder Knoten zwischen den Fäden an.
Forscher verglichen eine Simulation des Netzes von Galaxien mit Abschnitten der Großhirnrinde und des Kleinhirns, um zu beobachten, wie sich die Materiefluktuationen über so unterschiedliche Skalen streuen. Sie berechneten die spektrale Dichte beider Systeme, eine Technik, die in der Kosmologie zur Untersuchung der räumlichen Verteilung von Galaxien verwendet wird.
"Wieder einmal haben strukturelle Parameter unerwartete Übereinstimmungsgrade identifiziert", erklärt Franco Vazza. "Wahrscheinlich entwickelt sich die Konnektivität innerhalb der beiden Netzwerke nach ähnlichen physikalischen Prinzipien, trotz des auffallenden und offensichtlichen Unterschieds zwischen den physikalischen Kräften, die Galaxien und Neuronen regulieren", fügt Alberto Feletti hinzu.
Die Karussell-Gravitationslinse: Ein weiteres Beispiel kosmischer Strukturen
Ein weiteres faszinierendes Beispiel für kosmische Strukturen ist die sogenannte Karussell-Gravitationslinse. Diese besteht aus vier Galaxien und verzerrt das Licht von sieben ferneren Galaxien, von denen es jeweils mehrere Abbilder gibt. Diese Konstellation ermöglicht eine genaue Vermessung der Dunklen Materie, die den Linseneffekt erzeugt.
Die Bedeutung interdisziplinärer Forschung
Die Erkenntnisse aus der vergleichenden Analyse von neuronalen Netzen und kosmischen Strukturen unterstreichen die Bedeutung interdisziplinärer Forschung. Durch die Kombination von Methoden und Perspektiven aus verschiedenen Disziplinen können wir neue Einsichten in die komplexen Systeme gewinnen, die uns umgeben und uns ausmachen.
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Das Bewusstsein: Eine offene Frage
Die Diskussion über die Frage nach dem menschlichen Bewusstsein angesichts der fortschreitenden Digitalisierung hat gerade erst begonnen. Im Zusammenhang mit der "Informellen Kosmologie" wurde der große evolutionsbiologische Zusammenhang skizziert.
Vor etwa 4 Milliarden Jahren entstanden einfache Lebensformen auf der Erde, die innerhalb von 2 Milliarden Jahren die Erde chemisch so veränderten, dass eine Sauerstoffatmosphäre entstehen konnte. Der winzige Teilaspekt bezieht sich auf die schlichte Frage nach der "Komplexität" eines einzelnen menschlichen Körpers.
Im ersten Moment mag man den Kopf schütteln, was solch ein Vergleich soll, wie man solche so unterschiedliche Dinge wie einen menschlichen Körper und die Milchstraße vergleichen kann. Der "gedankliche Schlüsselreiz" sind die "Elemente", aus denen sich die Struktur einer Galaxie und die Struktur des Körpers einer biologischen Lebensform bilden. Im Falle von Galaxien sind die primären Elemente die Sterne.
Im Alltag spielen die einzelnen Zellen normalerweise keine Rolle; wir sind gewohnt von uns Menschen in "Körpern" zu denken, die eine bestimmte "Form" haben und die zu bestimmten "Bewegungen" fähig sein. Tatsache ist aber, dass alles, auch die einzelnen Organe, letztlich unfassbar große Mengen von individuellen Zellen sind, die jeweils autonom sind. Jede Zelle ist ein individuelles System, das von all den anderen Zellen um sich herum nichts "weiß".
Für den Bereich des menschlichen Körpers habe ich die Darstellung von Kegel (2015) [Keg15] benutzt, der sowohl Abschätzungen für die Körperzellen im engeren Sinne bietet (ca. 37.2 Billionen) wie auch für die Bakterien im Körper (ca. 110 Billionen). Innerhalb des Körpers nimmt das Gehirn für manche Eigenschaften eine besondere Stellung ein. Auch hier zeigt die Literatur, dass eine Abschätzung der Anzahl der Zellen schwierig ist.
Viele Schätzungen konvergieren aktuell im Bereich zwischen 100 - 400 Milliarden Sterne, aber es könnten möglicherweise viel mehr sein. Die Erkenntnislage ist noch sehr unsicher. Für den geplanten Vergleich habe ich jetzt einfach mal angenommen, es seien 300 Milliarden.
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