03:40 22 Oktober 2020
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    Nach den Berechnungen der Neurophysiologen vom Salk Institute for Biological Studies kann das menschliche Gehirn etwa zehnmal mehr Informationen aufnehmen, als zuvor angenommen wurde – mehrere Petabyte Daten, um fast die gesamten aktuellen Inhalte im Internet aufzunehmen, heißt es in einem Artikel der Zeitschrift „eLife“.

    „Das ist eine echte Sensation in den Neurowissenschaften. Wir haben den Schlüssel zum Verständnis gefunden, wie die Neurone des Hippocampus, des Gedächtniszentrums, funktionieren und wie es ihnen gelingt, geringen Energieverbrauch mit hoher Produktivität zu kombinieren. Nach konservativsten Schätzungen ist die Speicherkapazität unseres Gedächtnisses etwa zehnmal größer als wir zuvor dachten; es ist mindestens ein Petabyte groß, was mit der Größe des gesamten World Wide Web vergleichbar ist“, sagte Terry Sejnowski vom Salk Institute for Biological Studies (La Jolla, USA).

    Wie Sejnowski erklärt, sind die Wissenschaftler heute der Ansicht, dass unsere Erinnerungen sich in einem isolierten Teil des Gehirns befinden, von den Neurophysiologen als Hippocampus bezeichnet. Das Gedächtnis wird darin in Form von elektrischen Impulsen, die von einem Neuron zum anderen übermittelt werden, und in Form von chemischen Signalen, die die Nervenzellen miteinander tauschen, gespeichert.

    Nervenfasern des menschlichen Gehirns
    © Foto : Xiawei Ou / Arkansas Children's Nutrition Center, Arkansas Children’s Hospital, University of Arkansas for Medical Sciences
    Nervenfasern des menschlichen Gehirns

    Die Verfasser des Artikels wollten herausfinden, wie diese Prozesse verlaufen. Dafür schufen sie ein vollwertiges Computermodell eines Stücks des Hippocampus von der Größe einer Blutzelle. Wie Sejnowski und seine Kollegen einräumen, erwies sich die Nachbildung des Funktionierens selbst eines kleinen Teils des Gehirns als äußerst komplizierte Rechenaufgabe, weil es eine riesige Anzahl von Verbindungen zwischen den Nervenzellen gibt.

    In der Arbeit der Synapsen (Nervenenden) in diesem Modell fanden die Neurophysiologen etwas äußerst Ungewöhnliches heraus. Es stellte sich heraus, dass mehrere Nervenzellen mit denselben „Nachbarn“ nicht mit einer Synapse, sondern mit mehreren Synapsen verbunden sind. Die Synapsen sind von der Größe und dem Umfang her etwa gleich, was bedeutet, dass sie dem Modell zwei Kopien ein und desselben Signals übermitteln.

    Andererseits verfügten die Synapsen, die das Neuron mit anderen Zellen verbinden, über andere Größen, was den Autoren des Artikels dazu verhalf, „die Speicherkapazität“ eines einzelnen Neurons zu ermitteln, indem sie die typische Anzahl von Synapsen verschiedener Größen auf jeder Nervenzelle im Hippocampus berechneten.

    Wie sich herausstellte, enthalten die Neuronen überraschend viele Synapsen verschiedener Größen – 26 Typen Nervenenden, jeder Typ unterschied sich von der Größe her von seinen nächsten Synapsen um 8,3 Prozent. Das heißt, dass jedes Neuron etwa 4,7 Byte Information (26 = 2^4,7) speichern kann.

    Wie funktioniert das alles? Das Geheimnis besteht darin, dass die Synapsen die Informationen nicht garantiert übermitteln, sondern mit einer gewissen Chance, die die Wissenschaftler etwa mit 60 Prozent bewerten. Die Zuverlässigkeit der Datenlieferung wird mit der vielfachen Übergabe von Signalen und einem besonderen System der „Autokalibrierung“ der Synapsen gewährleistet – ihre Größen ändern sich alle zwei Minuten nach unten oder nach oben, je nach Anfragen aus anderen Bereichen des Gehirns und von ihnen zu erhaltenden Signalen.

    Dank seiner überraschend großen Speicherkapazität bei Ratten und allem Anschein nach auch bei Menschen kann der Hippocampus viel mehr Informationen speichern, als die Wissenschaftler zuvor dachten – etwa fünf bis 20 Petabytes Daten, was mit der Größe des gesamten Internets vergleichbar ist.

    Wie Sejnowski betont, bekräftigen diese Ergebnisse den Status des Gehirns als des wirksamsten Rechners. Mit dem Verbrauch von nur 20 Watt Energie bedient unser Nervensystem Datenmengen, die für moderne Supercomputer nicht zu bewältigen sind. Die Autoren des Artikels hoffen, dass diese Erkenntnis die Wissenschaftler zu dem Versuch inspirieren werden, diese Eigenschaften des Gehirns in supereffektiven Rechengeräten wiederzugeben.

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    Tags:
    Gehirn, Internet, Terry Sejnowski