GEHEIMSpRACHE DER NEURONEN

CO DI E RU NG
N E U ROTH EO R I E CO DI E RU NG
Geheimsprache
der Neuronen
Wie gelingt es Nervenzellen, die Reize der Außenwelt sinngerecht in elektrische
Impulse umzuwandeln? Jetzt lernen Hirnforscher die rätselhafte Sprache des Gehirns
zu verstehen.
Von Matthias Bethge und Klaus Pawelzik
D
as Abendrot am Himmel, der Gesang eines Vogels oder der Duft
einer Rose erscheinen uns so real,
dass wir selten darüber nachdenken, inwiefern das, was wir wahrnehmen, der Wirklichkeit entspricht. Genau
genommen entstehen Geräusche, Farben,
ein Geschmack oder ein Duft erst in unserem Gehirn. Die physikalischen Reize
der Außenwelt – Berührungen, Schallwellen, elektromagnetische Wellen,
Duftmoleküle – werden von unseren Sinnesorganen und über den ganzen Körper
verteilten Sinnesrezeptoren empfangen
und in Nervensignale übersetzt. Diesen
Übersetzungsvorgang nennen Fachleute
Codierung. Eine Flut von Signalen wird
offenbar in unserem Gehirn so zusammengefasst, dass etwa aus elektromagnetischen Wellen in unserer Wahrnehmung
eine blaue Blüte wird.
Allerdings besitzt das, was wir dann
als Blüte erkennen, mit Sicherheit weit
mehr Merkmale, als wir wahrnehmen.
Für viele physikalische Reize fehlen uns
schlicht geeignete Rezeptoren. Zudem
müssen wir davon ausgehen, dass bei der
Codierung Details nicht verschlüsselt
werden oder beim Transport verloren gehen. Offensichtlich gelingt es dem Gehirn aber, aus den einlaufenden Informationen ein brauchbares Bild unserer Umwelt zu konstruieren. Schließlich erzeugt
es seinerseits Signale, die zu einem in
der Regel sinnvollen Verhalten führen
(siehe Bild Seite 82).
80
Erst Ende des 19. Jahrhunderts wurde Hirnforschern klar, dass die elementaren Bausteine des Gehirns die Nervenzellen (Neuronen) sind. Seitdem fragen
sie sich, wie die zahlreichen psychologischen Phänomene der Wahrnehmung
durch biophysikalische Vorgänge im Gehirn hervorgebracht werden. Welche Prozesse in der einzelnen Nervenzelle sind
wesentlich, welche können vernachlässigt werden? Was bewirkt die gemeinsame Aktivität kleiner Nervenzellgruppen,
und was die Erregung ganzer Hirnareale? Mit anderen Worten: Welche Sprache
spricht das Gehirn?
Ein typisches Experiment der Hirnforscher besteht darin, einem Tier einen
Sinnesreiz zu präsentieren und die „Antwort“ eines ausgewählten Neurons zu
messen. Allerdings sind Nervenzellen
fortwährend aktiv – auch ohne äußere
Reize, etwa im Schlaf. Dieser interne Signalverkehr ändert laufend den Zustand
des Gehirns. Deshalb treffen dieselben
Eingangssignale zu unterschiedlichen
Zeitpunkten nie auf dasselbe System.
Auch die Wachheit, Aufmerksamkeit und
nicht zuletzt Erfahrungen modifizieren
das Verhalten der Nervenzellen. So kann
an die Stelle eines zuvor beobachtbaren
Antwortverhaltens ein nur ähnliches
oder auch gänzlich anderes treten.
Um den Einfluss all dieser Faktoren
so gering wie möglich zu halten, konzentrieren sich Wissenschaftler auf Hirnareale, deren Aktivitäten möglichst di-
rekt auf im Versuch präsentierte Reize
ansprechen und auf Versuchsanordnungen, bei denen sich das Nervensystem
während des Experiments möglichst wenig verändert.
Ein Neuron empfängt seine Eingangssignale über das „Wurzelwerk“, die
Dendriten. Der zentrale Zellkörper fasst
sie zu einem Gesamtzustand zusammen
(er „integriert“) und gibt diesen über einen Ausgang am Axonhügel an seinen
Fortsatz, das Axon, weiter. Dieses verzweigt sich am Ende und ist wiederum
mit anderen Nervenzellen verbunden.
Feuern, wenn Die Rose duftet
Die Signalweiterleitung innerhalb eines
Neurons erfolgt durch die Fortpflanzung
von Spannungsänderungen entlang der
elektrisch geladenen Zellmembran.
Übersteigt ein elektrisches Signal am
Axonhügel einen bestimmten Schwellenwert, reagiert die Zellmembran, indem sie ein „Aktionspotenzial“ auslöst.
Das ist ein stereotyper Spannungsimpuls, auch „Spike“ genannt, der entlang
des Axons weitergeleitet wird (siehe
Kasten auf Seite 83).
Das Grundproblem beim Verständnis
des neuronalen Codes besteht darin, dass
die physikalischen Eigenschaften der
Aktionspotenziale nicht verraten, wie die
Reize, die sie ausgelöst haben, beschaffen sind. Egal ob wir Musik hören, an
einer duftenden Rose riechen, fernsehen
oder eine Katze streicheln – die AktionsGEHIRN & GEIST 02/2002
potenziale, die dabei von den Neuronen
erzeugt werden, sehen alle gleich aus. So
wie die verschiedenen Wörter unserer
Sprache immer aus denselben Buchstaben bestehen, so kann man den Spike als
das Grundelement der Sprache der Neuronen betrachten. Die stets gleiche Form
der Spikes macht die unterschiedlichsten
Stimuli, wie beispielsweise Hör- und
Sehreize, in der Hirnrinde miteinander
kombinierbar. Man vermutet deshalb,
dass alle Gedanken und Wahrnehmungen
– und seien sie noch so abstrakt – auf
Spikes beruhen, deren Kombinationen
den neuronalen Code bilden.
Woher „weiß“ ein Neuron, dass die
bei ihm eingehende Information ein Duft
ist und nicht etwa ein Klang? Diese so
genannte Reizmodalität wird durch die
neuronale Bahn codiert, die vom Sinnesrezeptor über möglicherweise mehrere
Zwischenstufen bis zu diesem Neuron
führt. Ein Neuron kann aber noch mehr
wissen: So fanden David Hubel und
Torsten Wiesel an der Havard Medical
School vor etwa vierzig Jahren heraus,
dass bestimmte Neuronen der primären
Sehrinde (visueller Cortex) besonders
gut auf Licht-Balken einer ganz bestimmten Orientierung ansprechen, die
in einem begrenzten Teil des Gesichtsfeldes, dem so genannten rezeptiven Feld,
liegen und in eine bestimmte Richtung
bewegt werden.
Bei diesen Versuchen maßen die
Neurobiologen die so genannte Ratenantwort einzelner Cortexneuronen auf
bestimmte Test-Reize (siehe Grafik Seite
82 unten). Sie gingen dabei davon aus,
dass die wesentliche Information in der
Anzahl der Aktionspotenziale pro Zeiteinheit steckt. Die Rate lässt sich bestimmen, indem man die Anzahl der Aktionspotenziale in einem hinreichend langen
Zeitintervall zählt und anschließend
durch die Länge des Intervalls teilt.
Die beiden Wissenschaftler machten
noch eine weitere interessante Entdeckung: Neuronen, die auf ähnliche Positionen und Orientierungen ansprechen,
liegen auch im Cortex räumlich nahe
beieinander. Dies bedeutet, dass Positionen und Orientierungen visueller Reize
wie bei einer Landkarte auf die Cortexoberfläche abgebildet werden (siehe
Bild Seite 84). Neuronen, die innerhalb
einer schmalen Säule senkrecht zur Cortexoberfläche, in so genannten corticalen
Säulen, angeordnet sind, reagieren auf
ähnliche Reizmerkmale. Für diese EntDer Mensch erkennt sein Sp
Aus urheber rec htlic hen
Gründen können wir Ihnen
die Bilder leider nic ht
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iegelbild,
aber wird er je den Code v erstehen, mit
dem sein Gehirn dieses Bild v erschlüsselt?
GEHI R N & GEI S T 02/2002
81
Motoneuron
Muskelzellen
Kettenreaktion:
An der Eingangsseite der Nervenbahnen stehen Sinneszellen, etwa die der Augen oder
Ohren. Diese spezialisierten Nervenzellen wandeln die Information von außen – zum
Beispiel Licht oder Schallwellen – in elektrische Nervenimpulse um. Die Information wird dann stufenweise von einer Neuronengruppe zur nächsten weitergereicht.
deckungen wurden Hubel und Wiesel
1981 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
Eine ähnliche Karte existiert für den
motorischen Cortex, der die Bewegungen der Körperteile plant und steuert. Er
ist die „Ausgabeseite“ des Gehirns; auch
dort führen benachbarte neuronale Aktivitäten zur Erregung benachbarter Muskelgruppen. Misst man die Aktivität von
Neuronen in diesen motorischen Arealen, so stellt man fest, dass auch hier die
Anzahl der Aktionspotenziale pro Zeiteinheit mit unterschiedlichen Parametern
der Bewegung korrespondiert. Mit anderen Worten: Die Feuerrate dieser Neuronen codiert Bewegungen.
Um einen brauchbaren Wert für die
Ratenantwort zu erhalten, ist ein
Zeitfenster in der Größenordnung von
mindestens einer Sekunde notwendig,
sonst wäre der Wert von der zufälligen
Auswahl des „Zeitfensters“ zu sehr abhängig. Denn die Neurone feuern in diesem Zeitintervall meist nicht regelmäßig.
Es wäre denkbar, dass nicht nur die Anzahl der Spikes, sondern auch das zeitliche Muster, mit dem die Spikes erscheinen, Informationen in sich bergen. Um
diese ausfindig zu machen, wird das
Zeitfenster in viele kleinere Intervalle
zerlegt und über viele Versuchswiederholungen hinweg die mittlere Anzahl der
Spikes pro Intervall bestimmt. Das Ergebnis ist das so genannte Peri-Stimulus-Time-Histogramm (PSTH, siehe Kasten Seite 85).
Wenn diese verfeinerte Darstellung
tatsächlich mehr Information trägt als die
bloße Anzahl der Aktionspotenziale pro
Zeiteinheit, dann sollte es möglich sein,
daraus auch viel genauer auf den ver-
82
ursachenden Reiz zurückzuschließen.
Lance Optican und Barry Richmond von
den National Institutes of Health in Bethesda (Maryland) fanden 1987 als Erste
heraus, dass dies tatsächlich möglich ist.
Sie zeigten einer Katze unterschiedliche
schachbrettartige Muster. Sie konnten
auf Grund des PSTH eines Neurons im
visuellen Cortex der Katze den präsentierten visuellen Reiz identifizieren, was
aus der Gesamtzahl der Spikes allein
nicht so gut möglich war.
Das Hirn als gigantisches
Telegrafenamt?
Da also prinzipiell verschiedene Aspekte
der neuronalen Aktivitäten Information
über einen Reiz enthalten können, stellt
sich die Frage, welche dieser Aspekte
wesentlich sind. Tragen beispielsweise
die Zeitpunkte der Spikes mehr Information über den Reiz als die schiere Anzahl? Dazu muss man wissen, wie viele
Reizwerte ein Neuron überhaupt unterscheiden kann.
Ein Konzept zur Beantwortung dieser Frage liefert die 1948 von Claude
Shannon begründete Informationstheorie. Sie basiert auf drei Elementen: einem Sender, einem Empfänger und einem Informationskanal zwischen diesen
beiden – typischerweise eine Telegrafenleitung. Über diesen Kanal schickt der
Sender Folgen von Zeichen (die Nachricht), die einem Zeichenvorrat (dem
„Alphabet“) entnommen sind.
Über die Bedeutung des Zeichens haben sich Sender und Empfänger vorab
verständigt. Die Ankunft der Information
bewirkt beim Empfänger, dass er aus einem Sortiment von Möglichkeiten eine
einzige auswählen kann. Je größer die
Anzahl unterscheidbarer Möglichkeiten,
desto mehr Information steckt in der
Nachricht.
Ein uneingeweihter Beobachter, der
nichts weiter wahrnimmt als die Folge
der Zeichen, versteht die Bedeutung der
Nachricht nicht. Trotzdem kann auch er
eine Aussage darüber treffen, wie viel Information die Nachricht enthalten kann.
Denn das mathematisch errechenbare
Maß für die Information hängt ausschließlich von den relativen Häufigkeiten ab, mit denen die Zeichen in der
Nachricht vorkommen.
Ein seltenes Zeichen hat dabei mehr
Informationswert für den Empfänger als
ein häufiges. Intuitiv nachvollziehbar
wird diese informationstheoretische Aussage, wenn Sie sich vorstellen, Sie erwarteten ein Telegramm, in dem ein
Freund den Wochentag seines Besuchs
ankündigen will. Leider wird die Nachricht bei der Übertragung dramatisch
verstümmelt und es kommt nur ein einziger leserlicher Buchstabe an. Welcher
Buchstabe hätte den größeren Informationsgehalt für Sie, ein a oder ein f? (Bei
wie vielen Wochentagen kommt ein f
vor?)
Das einfachste denkbare Alphabet
besteht aus nur zwei Zeichen, etwa 0 und
1 („binärer Code“). Vorausgesetzt, beide
Zeichen werden zuverlässig übertragen
und kommen gleich häufig vor, ist die
Information, die mit einem solchen Zeichen übermittelt wird, 1 Bit; das ist die
Maßeinheit der Information. Was Sender
und Empfänger sich bei der zwischen ih-
THOMAS BRAUN / G&G / NACH DAVID H. HUBEL
zwischengeschaltete
Neurone
Gedächtnis, Gedanken,
Seele und so weiter
Rezeptorzellen
THOMAS BRAUN / G&G / NACH DAVID H. HUBEL
CO DI E RU NG
Neuron mit Vorliebe:
Antworten einer orientierungsspezifischen Zelle im primären visuellen Cortex
einer Katze, die von D. Hubel und T.
Wiesel 1958 erstmals gemessen wurden.
Die Zelle feuerte fast ausschließlich auf
einen Lichtbalken in 11-Uhr-Stellung, der
von unten nach oben bewegt wurde.
GEHIRN & GEIST 02/2002
Signalfeuer im Nervensystem
GEHIRN & GEIST 02/2002
+- +- +- +- +- +- +- +- +- +- +- +- +- +- +- +- +- +- ++
-Aktionspotenzial
Kalium-Ionen
- - - - - - ++++ - - - - - - - - -+ + + + + + - - - - + + + + + + + + ++
+
Zellkern
Zellkörper
Fortpflanzungsb
richtung
+40
Aktionspotenzial
0
-70
Ruhepotenzial
a
-70
-
Axonhügel
Richtung des Nervenimpules
Axon
Dendrit
THOMAS BRAUN / G&G
Synapse
Axon
dendritischen Fasern anderer Neurone
verbunden ist. Bei den chemischen
Synapsen gibt es dort einen Spalt, der
das Axon des „präsynaptischen Neurons“ von dem Dendrit der „postsynaptischen Nervenzelle“ elektrisch weitgehend isoliert. Anstelle einer direkten
elektrischen Kopplung kommt es an
solchen Synapsen zu einer elektro-
0. Je mehr Teilintervalle für die Codierung zur Verfügung stehen, desto mehr
Reizwerte können theoretisch unterschieden werden. Dieser Zusammenhang
ist im Kasten auf der Seite 87 genauer
dargestellt.
Gitter vor dem Fliegenauge
Interessieren wir uns dafür, wie viel von
der Information des Eingangssignals
(des Reizes) sich in der Nachricht, der
neuronalen Antwort, wiederfindet, so
können wir auch dies berechnen. Diese
Größe wird in der Informationstheorie
als Transinformation bezeichnet. Aus
den relativen Häufigkeiten, mit denen ein
Reizwert zusammen mit einem Zeichen
der Nachricht vorkommt, bestimmt man
näherungsweise die Wahrscheinlichkeiten des gemeinsamen Auftretens. In der
chemischen Form der Signalübertragung. Sobald ein Spike die präsynaptische Seite dieses Spalts erreicht, setzt
er dort so genannte Neurotransmitter
frei, die als Botenstoffe bestimmte Ionenkanäle an der postsynaptischen
Seite öffnen und dadurch die Membranspannung des postsynaptischen
Neurons verändern.
Praxis lassen sich diese Wahrscheinlichkeiten allerdings nur sehr grob ermitteln,
andernfalls wäre eine astronomische
Zahl an Versuchen notwendig.
Es gibt jedoch eine einfachere Möglichkeit. Mit dieser kann geschätzt werden, wie viel Information ein Neuron
mindestens überträgt. Dabei drehen wir
das Problem gewissermaßen um: Man
fragt sich, wie präzise sich aus der
Kenntnis der Aktionspotenziale der Reiz
rekonstruieren lässt. Diesen Ansatz haben der Physiker Bill Bialek und seine
Kollegen in Princeton mit großem Erfolg
praktiziert, sogar für sich dynamisch ändernde Reizverläufe. Sie untersuchten
die Antworten des so genannten H1Neurons im visuellen System einer Fliege, vor deren Augen ein Gittermuster bewegt wurde. Das Verfahren (siehe Kasten
83
▲
nen übermittelten Nachricht denken,
welche „Bedeutung“ die Nachricht für
sie hat, ist für den Shannon’schen Informationsbegriff vollkommen irrelevant.
Das macht die Informationstheorie für
unsere Zwecke anwendbar: Wir können
von der Information sprechen, die ein
Neuron übermittelt, obgleich die Frage,
was das Neuron „weiß“ oder „sich dabei
denkt“, zunächst keinen Sinn macht.
Es ist nur nicht ohne weiteres klar,
was bei einem Neuron unter einem „Zeichen“ zu verstehen ist. Wir gehen daher
spekulativ vor und teilen zunächst das
Zeitintervall, das uns interessiert, in lauter kleine Teilintervalle, in die jeweils
höchstens ein Spike hineinpasst, und sagen, das Neuron sende das Zeichen 1,
wenn es in diesem Teilintervall einen
Spike ausstößt, andernfalls das Zeichen
Natrium-Ionen
Membranpotenzial
in Millivolt
Wenn ein Neuron über seine Dendriten hinreichend viele erregende Eingangssignale erhält, so „feuert“ es:
Über sein Axon gibt es das Signal in
Form von Aktionspotenzialen, einer Folge elektrischer Signalpulse, weiter.
Im Ruhezustand herrscht an der Nervenzellmembran ein negatives elektrisches Potenzial von ca. 70 Millivolt, das
durch eine Ungleichverteilung von positiven und negativen Ionen dies- und
jenseits der Membran entsteht. Da die
Zellmembran zusätzlich spannungsabhängige Ionenkanäle enthält, ist sie
elektrisch erregbar.
Nur wenn die einlaufenden Signale in
der Triggerzone des Axonhügels eine
Spannungsänderung induzieren, die
eine bestimmte Schwelle überschreitet, werden bestimmte Ionenkanäle geöffnet (siehe rechts oben im Bild, die
Länge der Pfeile gibt die Stärke des Ionenstroms wieder). Es kommt zum
plötzlichen Zusammenbruch des Ruhepotenzials mit anschließender Vorzeichenumkehr. Dieser typische Spannungspuls wird als Aktionspotenzial
oder kurz „Spike“ bezeichnet.
Wird ein Spike ausgelöst, so wandert
er vom Soma der Zelle ausgehend das
Axon entlang, welches über gewisse
Kontaktstellen, die Synapsen, mit den
THOMAS BRAUN / G&G / NACH SWINDALE 1998. BIOL. CYBERN. 78: S.49
CO DI E RU NG
Feintuning:
Die Antwort eines Neurons ist auf einen
relativ engen Reizbereich abgestimmt
(tuned). Als Reiz diente
hier ein Lichtbalken
mit veränderlicher
Orientierung. Das
Optimum der „Tuningkurve“ liegt bei 90
Grad, abweichende
Orientierungen provozieren entsprechend
schwächere Feuerraten.
AUS DAVID H. HUBEL, AUGE UND GEHIRN, SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT 1989
Seite 86) geht dabei von der vereinfachenden Annahme aus, es gebe für dieses Neuron einen bevorzugten Reizverlauf, bei dem es feuert. Dieser lässt sich
rechnerisch ermitteln: Jedem beobachteten Spike wird der vorangegangene Reizverlauf zugeordnet, und durch Mittelung
eine Art Durchschnittsreizverlauf bestimmt. Indem Bialek und sein Team diesen wie eine Schablone einsetzten, konnten sie dann rückwärts aus dem Spikemuster den gesamten zeitlichen Verlauf
des präsentierten Stimulus näherungsweise rekonstruieren.
Das Verfahren funktionierte, ein Beweis dafür, dass auch in den Zeitpunkten
der Spikes zumindest eine gewisse Information über den Stimulus steckt. Aus der
Qualität der Rekonstruktion konnten die
Forscher sogar rechnerisch abschätzen,
wie viel Information das Neuron übertragen haben musste – je geringer der Re-
konstruktionsfehler, desto mehr Information. Für das von Bialek und seinen
Kollegen untersuchte H1-Neuron einer
Fliege ergab sich eine geschätzte Transinformation von mindestens 64 Bit pro
Sekunde und eine zeitliche Auflösung
von etwa zwei Millisekunden. Da diese
Rekonstruktionsmethode recht grob ist,
handelt es sich dabei meistens um eine
Unterschätzung, die jedoch den Vorteil
hat, recht zuverlässige Ergebnisse zu liefern. Mit einer direkten Methode zur Bestimmung der Transinformation, die auf
den relativen Häufigkeiten der Spikefolgen basiert, stellte sich heraus, dass das
H1-Neuron tatsächlich sogar 81 Bit an
Information pro Sekunde aus dem Stimulus gezogen hätte.
Würden Reizmerkmale allein durch
die Ratenantwort eines einzelnen Neurons codiert, wären der Informationsübertragung bald Grenzen gesetzt: Sich
schnell verändernde Reize könnten nicht
zuverlässig übertragen werden. Denn ein
Neuron braucht nach jedem Spike eine
gewisse Erholungspause, so dass die
Spikes nicht beliebig schnell aufeinander
folgen können. Wenn die Reizwerte sich
sehr rasch ändern, müsste das Neuron
dies mit den wenigen Spikes codieren,
die gerade noch in ein ganz kurzes Zeitfenster passen, was wiederum eine sehr
geringe Genauigkeit bedeuten würde.
Hinzu kommt, dass die Antwort eines
Neurons auf denselben Reiz insbesondere im Cortex wie gesagt sehr variabel ist.
So gesehen scheinen graduelle Unterschiede in der Feuerrate eines Neurons kaum geeignet, die Änderung von
Reizen zu codieren. Anders könnte es
aussehen, wenn die wesentliche Information nicht in der Antwort eines einzelnen Neurons, sondern in ganzen Neuronengruppen codiert ist.
Ein Neuron
kommt selten allein
Für diese so genannte Populations-Codierung sprechen mehrere Gründe. Ein
Neuron der Gehirnrinde hat typischerweise tausend bis zehntausend synaptische Eingänge, empfängt also die Aktivitäten einer ganzen Population vorgeschalteter Neuronen. Demnach scheint
die Betrachtung von Populationen der
„Sichtweise“ der Neuronen selbst zu entsprechen. Im einfachsten Fall einer Mittelwertbildung über viele Neuronenantworten ist die Signalübertragung sogar
stabil gegenüber dem Ausfall einzelner
Neuronen.
Tatsächlich sind solche Populationen
zu entdecken: Das Antwortverhalten be-
Licht aus – Spotlights an:
Ein spannungsempfindlicher
Farbstoff macht die jeweilige
Vorliebe eines Neurons der primären Sehrinde für eine bestimmte
Reizorientierung sichtbar. Wird ein
Lichtstreifen einer bestimmten
Orientierung (links im Bild) dargeboten, ändert der Farbstoff in den
jeweils elektrisch erregten Zellen
die Farbe. Alle Cortexregionen, die
auf eine bestimmte Reizorientierung hin aufleuchten, bekommen
dieselbe Farbe zugeordnet. Die
Technik wurde von Larry Cohen an
der Yale University entwickelt und
dann von Gary Blasdel von der
Pittsburgh University auf die
Großhirnrinde angewendet.
84
GEHIRN & GEIST 02/2002
Information – verborgen im Erregungsmuster
Präsentationsnummer
Die Spike-Antwort einer Nervenzelle auf identische präsentierte Reize sieht jedes Mal etwas anders aus (links
oben). Daher wird die mittlere Pulsrate im festgelegten Zeit50
40
30
20
10
intervall (hier zehn Millisekunden) bestimmt und als Balkendiagramm (links unten) aufgetragen. Das so genannte PeriStimulus-Time-Histogramm gibt die „typische“ Antwort einer
Zelle nach Präsentation eines bestimmten Reizes wieder.
Je kleiner die Zeitintervalle sind, in denen die Spikes (a,
Bild rechts) gezählt werden, desto differenzierter gibt das
Balkendiagramm Auskunft (b, c). Wird das Zeitfenster so
klein gewählt, dass höchstens ein Spike darin Platz findet
(d), lässt sich die Spikefolge als binärer Code darstellen (e).
0
0
100
200
300
Zeit in Millisekunden
400
500
THOMAS BRAUN / G&G
Feuerrate (Spikes/sec)
300
Peri-Stimulus-Time-Histogramm (PSTH)
200
100
0
0
100
200
300
Zeit in Millisekunden
GEHIRN & GEIST 02/2002
500
über alle Reizantworten der Population
die ganze Filmsequenz. Die Experimente
wiesen eindrucksvoll nach, dass komplexe Reizmuster durch die zeitliche Abfolge der Aktionspotenziale einer Neuronen-Gruppe detailliert codiert werden
können.
Mit derselben sowie anderen, ähnlichen Methoden ist es Miguel Nicolelis
von der Duke University im amerikanischen Durham (North Carolina) und Mitarbeitern kürzlich gelungen, aus den
neuronalen Aktivitäten im motorischen
Cortex eines Affen die Bewegungsabfolge seiner Arme vorherzusagen. Sie haben
damit sogar über das Internet einen Roboterarm gesteuert.
Ein anderes aufschlussreiches Experiment zur Populationscodierung führten
bereits vor über zehn Jahren die Neurowissenschaftler Choongkil Lee, Bill
Rohrer und David Sparks von der University of Alabama in Birmingham
durch. Die Forscher rekonstruierten die
Augenbewegung eines Affen aus der Aktivität vieler motorischer Neuronen des
Colliculus superior, des „oberen Hügels“
des Mittelhirndaches. Dabei berechneten
sie durch Mittelwertbildung über die von
den einzelnen Neuronen bevorzugten
85
▲
nachbarter Neuronen in mehreren Cortexregionen ist redundant – dies wiesen
bereits Hubel und Wiesel in den erwähnten corticalen Merkmalskarten nach. Bevorzugte Reizeigenschaften benachbarter Cortex-Neuronen ändern sich nicht
sprunghaft, sondern allmählich. Die
Neuronen innerhalb einer corticalen Säule bevorzugen quasi identische Reize.
Diese Neuronen sind daher besonders
gut geeignet, um Populationscodes zu erzeugen.
Das Spikemuster scheint bei den Populationscodes ebenfalls eine Rolle zu
spielen. Die von Bialek angewendete
Methode lässt sich nämlich relativ einfach auf eine ganze Population von Neuronen erweitern, wie die Neurobiologin
Yang Dan und ihre Mitarbeiter von der
University of California in Berkeley demonstrierten. Sie zeigten einer Katze
Filmsequenzen und leiteten im so genannten seitlichen Kniehöcker Spikeantworten ab, die aus dem visuellen Thalamus „gesendet“ wurden. Ähnlich wie in
Bialeks Fliegen-Experiment gewannen
die Forscher zunächst zu jedem einzelnen Neuron dessen bevorzugten Reizverlauf. Aus deren Überlagerungen rekonstruierten sie nicht nur wie Bialek den
Reizverlauf am Eingang eines einzelnen
Neurons, sondern aus der Überlagerung
400
CO DI E RU NG
Schätzen, was ein Neuron schätzt
400
Signalverlauf
neuronale Antwort
300
200
100
0
gemittelter Signalverlauf
zum Zeitpunkt eines Spikes
-100
-200
-300
-400
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Zeit in Sekunden
Umdrehungsgeschwindigkeit
(Grad/Sekunde)
THOMAS BRAUN / G&G / NACH BORST, A., THEUNISSEN F.E.
te Spikemuster. Zu jedem Spike wird
der Verlauf des Reizes in einem dem
Spike unmittelbar vorausgehenden
Zeitintervall bestimmt und der Mittelwert dieser Verläufe über alle Spikes
berechnet. Dies ist dann in guter Näherung der bevorzugte Reizverlauf des
Neurons.
Denn: Summiert man zu jedem
Spike ein Exemplar des bevorzugten
Reizverlaufes mit der richtigen Zeitversetzung auf, so gewinnt man eine ungefähre Wiedergabe des ursprünglichen Signals. Aus der Qualität der Rekonstruktion können die Forscher abschätzen, wie viel Information das
Neuron mindestens übertragen hat.
400
Signalverlauf
geschätzter
Signalverlauf
300
200
100
Spikeantwort
(Grad/Sekunde x Millivolt)
Umdrehungsgeschwindigkeit
(Grad/Sekunde)
Wie viel Information kann ein neuron Mindestens übertragen? Mit einem rechnerischen Verfahren, der so
genannten Reverse-Correlation-Methode, lässt sich dies abschätzen. Man
geht dabei von der Annahme aus, es
gebe für ein Neuron einen bevorzugten Reizverlauf, bei dem es mit einem
einzelnen Spike feuert. Auf ein Signal,
das aus der Summe zweier zeitversetzter Exemplare des typischen Reizes besteht, antworte es mit zwei entsprechend zeitversetzten Spikes und
so fort.
Das unten stehende Diagramm gibt
in Rot ein sich zeitlich änderndes Reizsignal wieder, darunter das registrier-
0,2
0,1
0,0
-0,1
-0,15
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
Zeit in Sekunden
0
-100
-200
-300
-400
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Zeit in Sekunden
Augenpositionen, jeweils gewichtet mit
deren Aktivität, einen so genannten Populationsvektor. Dieser stimmte mit der
tatsächlichen Augenposition gut überein.
Um zu prüfen, ob diese Methode tatsächlich wesentliche Aspekte des neuronalen
Codes offenbart, schalteten die Forscher
einen Teil der Neuronen zeitweilig aus.
Tatsächlich konnten sie nun anhand des
neu berechneten Populationsvektors vorhersagen, welchen Einfluss der Wegfall
dieser neuronalen Teilpopulation auf die
Augenbewegung hatte.
Mit informationstheoretischen Methoden lassen sich nicht nur die Eigenschaften der beobachtbaren neuronalen
Codes ermitteln. Sie erlauben es auch,
86
theoretisch mögliche andere neuronale
Codes herzuleiten und diese einer evolutionsbiologischen Betrachtung zu unterziehen. Unter vielen im Prinzip realisierbaren Codierungen sollte die Evolution
im Verlauf der Zeit die effizientesten hervorgebracht haben. Es ist daher interessant zu untersuchen, wie diese unter Berücksichtigung der biologischen Randbedingungen aussehen könnten.
Was aber bedeutet es für Neuronen,
besonders effizient zu sein? Fred Attneave von der University of Oregon und
Horace Barlow von der englischen University of Cambridge postulierten bereits
in den fünfziger Jahren, dass Nervenzellen auf einen Reiz mit dem geringst-
möglichen Aufwand antworten sollten –
also mit so wenig Redundanz wie möglich. Wenn sich zwei Neuronen im Wesentlichen gleich verhalten, könnte man
diese Redundanz dadurch verringern,
dass man eines der Neuronen einspart
oder mit anderen Aufgaben betraut. Und
tatsächlich gibt es eine Fülle experimenteller Hinweise dafür, dass die Codierung von Reizen durch sensorische Neuronen, etwa in der Netzhaut, kaum redundant ist.
Ein anderes Effizienzkriterium könnte die Qualität der Übertragung sein: Für
das Überleben vieler Organismen ist es
entscheidend, möglichst schnell Feinde
oder Beutetiere zu erkennen und zu lokalisieren. Menschen, denen kurzzeitig
komplexe Naturbilder präsentiert wurden, konnten in weniger als 0,2 Sekunden mit großer Sicherheit erkennen, ob
auf diesem Bild ein Tier war. Diese hohe
Verarbeitungsgeschwindigkeit stellt besondere Anforderungen an den neuronalen Code. Vom Rezeptor bis zur Wahrnehmung im Cortex und schließlich zur
Muskelaktivierung (zum Drücken einer
Taste) muss das Signal durch viele neuronale Verarbeitungsstufen, sodass schon
rein zeitlich gesehen jedes Neuron zu
dieser Signalkette nur wenige Spikes
beitragen kann.
Wir stellten uns deshalb die Frage,
welche neuronale Codierung für diesen
Zweck im Sinne des kleinsten Rekonstruktionsfehlers optimal wäre. Unsere
Berechnungen dieses Fehlers für verschiedene Codierungsstrategien zeigen,
dass es gerade bei großen Populationen
ungünstig ist, verschiedene Merkmale
durch graduelle Unterschiede in den
Feuerraten zu codieren: Der vermeintliche Vorteil, den man dadurch erhält, dass
sich die Menge der verschiedenen Ratenwerte für ein Neuron vergrößert, wiegt
nicht so schwer wie der Nachteil der
gleichzeitig abnehmenden Zuverlässigkeit, mit der diese Ratenwerte aus den
Spike-Antworten der Neurone geschätzt
werden können.
Einen besonders schlechten Rekonstruktionsfehler erhält man für solche
Populationscodierungen, bei denen die
Gesamt-Spike-Rate einer Population als
Signal benutzt wird. Viel günstiger wäre
ein Code, so folgerten wir, bei dem die
einzelnen Neuronen zwischen lediglich
zwei Zuständen – der maximalen und der
minimalen Feuerrate – „umschalten“.
Tatsächlich gibt es im Cortex viele
Neuronen, bei denen dieses Prinzip verwirklicht zu sein scheint. Diese Neuronen feuern immer in Salven (bursts), bei
denen die Aktionspotenziale ganz
schnell aufeinander folgen. Die bloße
GEHIRN & GEIST 02/2002
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=23.
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-
THOMAS BRAUN / G&G
Codes für alle Fälle
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.
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