ein aktuelles Thema für den interdisziplinären

Die Interpretation von Hirnsignalen
Ein aktuelles Thema für den
interdiziplinären Unterricht
Christian Eurich
LIS / Kippenberg-Gymnasium
Institut für Theoretische Physik
Universität Bremen
Inhalt
Teil I:
Neurowissenschaften heute – Chancen und Risiken
(Relevanz; Biologie)
Teil II:
Mathematische Aspekte
Teil III:
Ein Projekt in Klasse 12
Teil I: Die Neurowissenschaften heute
Wissenschaft, die sich mit dem Aufbau, der Funktionsweise und
den Leistungen von Gehirnen beschäftigt
Medizin
Jura
Biologie
Psychologie
Physik
Neurowissenschaften
Philosophie
Ingenieurwissenschaften
Mathematik
Informatik
Ein Thema für die Schule?
Bildungsgehalt dieses Themenkomplexes?
Neurowissenschaften: Von der Grundlagenforschung
zu Anwendungen
An der Schwelle zu einer Spitzentechnologie (vgl. Genetik)!
Große Chancen, viele Risiken und offene Fragen
Die Entschlüsselung von Hirnaktivität
Wie werden im Gehirn Informationen verarbeitet?
Gebiet der neuronalen Kodierung
Heute: Entwicklung von Brain-Computer-Interfaces
Gabriel Curio (Charité)
Klaus-Robert Müller (Fraunhofer)
Das Gehirn / Nervenzellverbände
Zeichnung von S. Ramón y Cajal
Nervenzellen (Neuronen)
Dendriten
Zellkörper
Nervenfaser
Synapse
Aktionspotentiale (Spikes)
Elektrische Impulse in der Nervenfaser
Im Modell:
Nervenfaser
Messung der Aktivität von Zellen
Mikroelektroden
Heute: > 100 Zellen gleichzeitig
500 ms
(Hoag 2003)
Zeit
Serie von Aktionspotentialen (Spiketrain)
Arbeitsprogramm
Zusammenhänge zwischen Hirnaktivität und Wahrnehmung,
Handlungen und inneren Zuständen
Beispiel: Handbewegungen
500 ms
Zeit
Wessberg et al., Nature 408 (2000) 361
Beispiel: Armbewegungen
Wessberg et al., Nature 408 (2000) 361
Beispiel: Armbewegungen
Chancen: Motorische Neuroprothesen
Robotersteuerung funktioniert auch ohne reale
Handbewegungen...
E. N. Brown, Harvard Medical School
Risiken: Militärische Anwendungen
DARPA
DARPA
National Science Foundation /
Department of Commerce,
Conference „Converging Technologies
for Improving Human Performance“, 2002
„Roborat“
Chronische Implantation von Elektroden:
rechter/linker somatosensorischer Cortex – Tastreize
mediales Vorderhirnbündel – Belohnungen
Ratten können sich frei bewegen
Training der Tiere: Stimulation der
Elektroden als Befehl zur Bewegung;
Konditionierung durch Belohnungsreize
Talwar et al., Nature 417 (2002) 38
von DARPA gefördert
„Roborat“
Resultat: Bewegung auf
komplexen Wegen inkl.
Klettern und Springen
Durch MVB-Stimulation
werden die Tiere
„motiviert“
Bewegung auch in Gelände, das die
Ratten normalerweise meiden
(z. B. helle, offene Flächen)
Anwendungen
„[...] a guided rat can be developed into an effective `robot´ […]“
Suche nach Verschütteten
Minenräumung(!)
Spionage
Prof. Shimoyama, Bio-Robot Research
Team, Tokyo University: „Roboroach“
Kakerlake mit Implantat
Associated Press, Juli 2001
Teil II:
Mathematische Aspekte
Das stochastische Gehirn
Reaktion einer Nervenzelle ist
nicht immer gleich!
500 ms
Zeit
(Daten von S. Mandon)
Wahrscheinlichkeitsrechnung (Kl. 12)
Neuronaler Code: Zähle bei jeder
Versuchswiederholung die
Anzahl der Aktionspotentiale
Rekonstruktion von Reizen in
drei Schritten:
1. Messung der Statistik der Neuronen
2. Eine einzelne Messung bei unbekanntem Reiz a
3. Schätzung des Reizes a
Schritt 1: Statistik eines Neurons
Zufallsexperiment:
Messung (bei geg. a)
Elementarereignisse:
0, 1, 2, ... , n Aktionspotentiale
Absolute / relative Häufigkeiten
Relative Häufigkeit der Anzahl der Aktionspotentiale
0,18
0,16
0,14
h(k)
0,12
0,1
Neuron 1, alpha=43°
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0
1
2
3
4
5
6
k
7
8
9
10
11
12
Schritt 1: Statistik eines Neurons
Modellierung der Statistik
bei bekanntem Mittelwert np:
Binomialverteilung
n k
P(k ; n, a )    p (1  p) nk
k 
Binomialverteilung
0,25
P(k;12,43°)
0,2
0,15
P(k;12,alpha=43°)
0,1
0,05
0
0
1
2
3
4
5
6
k
7
8
9
10
11
12
Schritt 1: Statistik eines Neurons
Binomialverteilungen
für verschiedene Winkel a:
verschiedene Werte von p
n k
P(k ; n, a )    p (1  p) nk
k 
alpha = 0°
alpha = 15°
0,2
0,1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0,25
P(k;12,43°)
0,3
P(k;12,15°)
P(k;12,0°)
0,4
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
0,15
0,1
0,05
0
0,15
0,1
0
4
5
6
k
3
4
5
7
8
9 10 11 12
0
1
2
3
4
5
6
k
6
7
8
9 10 11 12
7
8
9 10 11 12
alpha = 120°
0,05
3
2
k
P(k;12,120°)
0,2
P(k;12,90°)
0,25
0,2
2
1
alpha = 90°
0,25
1
0
k
alpha = 75°
0
0,1
0
0
9 10 11 12
0,2
0,15
0,05
k
P(k;12,75°)
alpha = 43°
7
8
9 10 11 12
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
1
2
3
4
5
6
k
Schritt 2: Eine Messung
Durchführung einer einzelnen Messung mit unbekanntem
Reiz a
Resultat z. B.: k=5 Aktionspotentiale
Schritt 3: Rekonstruktion
alpha = 0°
0,3
P(k;12,15°)
P(k;12,0°)
0,4
0,2
0,1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0,25
1
2
3
4
5
7
8
9 10 11 12
0,25
0,2
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0,15
0,1
0
3
4
5
6
2
3
4
5
7
8
9 10 11 12
k
0
1
2
3
4
5
6
k
6
7
8
9 10 11 12
7
8
9 10 11 12
alpha = 120°
0,05
2
1
k
P(k;12,120°)
0,25
1
0
alpha = 90°
P(k;12,90°)
P(k;12,75°)
6
k
alpha = 75°
0
0,1
0
0
9 10 11 12
0,2
0,15
0,05
k
Trage P(k  5; n, a )
als Funktion
von a auf:
alpha = 43°
P(k;12,43°)
Schätzung von a
für die Messung
k=5:
alpha = 15°
7
8
9 10 11 12
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
1
2
3
4
5
6
k
Likelihood-Funktion
Die Stelle des Maximums
liefert den Schätzwert!
0,25
P(5;12,alpha)
0,2
0,15
Maximum-LikelihoodSchätzung
0,1
0,05
0
0
15
43
75
90
alpha
120
152
180
Teil III: Projekt in Klasse 12
Projektarbeit zweier Schüler
Fächer: Biologie, Mathematik, Deutsch
Erarbeitung des biologischen Hintergrundes
Erarbeitung der grundlegenden Schätzmethode
Likelihood-Funktion
0,25
P(5;12,alpha)
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
15
43
75
90
alpha
120
152
180
Projekt in Klasse 12
Besuch zweier Uni-Institute:
Institut für
T‘heoretische Physik
Institut für
Hirnforschung
Projekt in Klasse 12
Auswertung von Original-Daten
Erörterung über
Tierversuche
Zusammenfassung
Neurowissenschaftliche Forschung ist
aktuell und gesellschaftlich sehr relevant
Neurowissenschaftliche Themen gehören
zum Teil zu den „normalen“ Curricula;
fächerübergreifender Unterricht ist
notwendig
Selbst neueste Forschungsergebnisse lassen
sich - quantitativ! – im Rahmen der
Schulmathematik/-biologie behandeln
500 ms
Zeit
Stellenausschreibung
Postdoctoral position in neurobiology / engineering in Woods Hole
A 4-year DARPA research project, funded annually, to steer the behavior
of sharks in the natural environment through stimulation of selected
sensory brain areas. Expertise in brain stimulation, multi-electrode
recording and neural data analysis most desirable. Interfacing with
wireless data transmission and stereotactic electrode positioning.
Send applications and inquiries to
Jelle Atema, PhD
Professor
Boston University Marine Program
Marine Biological Laboratory
Woods Hole, MA 02543
Connectionist List, 30.6.2005