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Mittwoch, 26.07.2017
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Nervenzellen lernen aus ihren Fehlern

Mathematisches Modell erklärt Lernvorgang bei Neuronen

Wenn wir vor ungewohnten Situationen stehen, müssen die Nervenzellen in unserem Gehirn lernen, sich richtig zu entscheiden. Wie sie dies tun und wie sie aus Fehlern klug werden, erklären zwei Berner Mathematiker jetzt mit einem neuen Modell, über das sie in der Fachzeitschrift „Nature Neuroscience“ berichten.
Nervenzelle

Nervenzelle

Alle unsere Entscheidungen beruhen auf der Aktivität tausender Nervenzellen im Gehirn. Viele dieser Entscheide werden routinemäßig getroffen. Stehen wir jedoch vor neuen Situationen, sind die Nervenzellen in unserem Hirn in der Lage, das richtige Verhalten zu lernen. Sie passen sich aufgrund von Erfolg oder Misserfolg einer Entscheidung an, um so das nächste Mal in der gleichen oder einer ähnlichen Situation die Chancen auf richtiges Verhalten zu erhöhen.

Herkömmliche Modelle scheitern an der Erklärung, wie dieser Lerneffekt abläuft: Es ist nicht klar, welche der etwa einer Billion Neuronen im Hirn zu einer richtigen Entscheidung beigetragen haben und damit eine Belohnung erhalten sollen. Robert Urbanczik und Walter Senn vom Institut für Physiologie der Universität Bern haben nun einen Lösungsansatz zu diesem Problem in Form eines mathematischen Modells entwickelt.

Neuronen entscheiden demokratisch


Entscheidungen werden im Gehirn von einem ganzen Netzwerk von Neuronen gefällt, wobei alle Zellen ähnliche Informationen erhalten. Die Mehrheit der Neuronen bestimmt auf demokratische Weise, welcher Entscheid getroffen wird. Nachher wird ein Signal ausgesendet, das den Nervenzellen mitteilt, ob die Entscheidung richtig oder fehlerhaft war.


Bisherige Modelle gehen davon aus, dass alle Neuronen das gleiche Signal erhalten: ein Erfolgssignal bei einer richtigen, ein Misserfolgssignal bei einer fehlerhaften Entscheidung. „Das ist, als ob die Lehrerin den Schülern nur mitteilen würde, dass sie als ganze Klasse nicht bestanden habe. Wenn die Klasse groß ist, stehen damit die Chancen schlecht, überhaupt etwas zu lernen“, erläutert Senn.

Wer falsch entscheidet, muss sich anpassen


Das Modell der beiden Berner Mathematiker geht nun noch einen Schritt weiter: Damit das Gehirn auf zuverlässige Weise gewisse Alltagsentscheide lernt, müssen die einzelnen Nervenzellen im Entscheidungsnetzwerk herausfinden können, ob sie sich richtig oder falsch verhalten haben.

Folgt auf einen Entscheid hin ein Misserfolgssignal, und war ein Neuron gleicher Meinung wie die Mehrheit, muss es seine Meinung ändern. Wich seine Meinung bei einer fehlerhaften Entscheidung von der Mehrheit ab, hat es sich folglich richtig verhalten und muss sich nicht anpassen. Das ist die Rechnung, die jedes Neutron durchführen muss. Sie kann mit einfachen zellulären Prozessen realisiert werden.

Botenstoffe im Einsatz


Ob ein Erfolg oder Misserfolg erzielt wurde, kann den Neuronen nach Angaben der Forscher durch das Ausschütten eines bestimmten Neuromodulators wie Dopamin mitgeteilt werden. Ein anderer Modulator repräsentiert die Mehrheitsmeinung. Neuromodulatoren sind körpereigene Substanzen, die die Erregungsbereitschaft von Nervenzellen beeinflussen können.
(idw - Universität Bern, 20.02.2009 - DLO)
 
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