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Kommunikation von Nervenzellen im Gehirn

Kein zentraler Takt

Bemerkenswert ist, dass die Kommunikation zwischen den Nervenzellen – genau wie beim Computer – zumindest teilweise mithilfe standardisierter elektrischer Pulse erfolgt. Solche so genannten Aktionspotenziale oder „Spikes“ entsprechen relativ geringen elektrischen Spannungen (etwa 0,1 Volt) und sind verglichen mit dem elektronischen Vorbild sehr langsam. Das Ein- und Ausschalten eines solchen Pulses dauert immerhin eine tausendstel Sekunde; viel häufiger als etwa zehn Mal pro Sekunde sendet eine typische Nervenzelle nicht.

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Die standardisierten Pulse legen auf den ersten Blick einen direkten Vergleich mit dem Computer nahe – es gibt jedoch einen zentralen Unterschied: Der mögliche Zeitpunkt für das Aussenden eines Aktionspotenzials ist im biologischen System nicht durch einen zentralen Takt vorgegeben. Mit anderen Worten: Das neuronale Netzwerk ist asynchron.

Intelligente Schaltstellen statt Zentralsteuerung

Woher erhält es dann aber den Befehl zu „feuern“? Dieser Befehl kommt aus dem Netzwerk selbst. Eine Nervenzelle sammelt über ihren weit verzweigten Dendritenbaum Signale von bis zu 10.000 Neuronen auf, wobei als intelligente Schaltstellen zwischen den Nervenzellen die Synapsen fungieren. Die elektrischen Signale versuchen nun, einen „Kondensator“ – die Membran der Nervenzelle – elektrisch aufzuladen. Dabei gibt es jedoch außerordentlich viel Konkurrenz: Einige Synapsen tragen zum elektrischen Aufladen bei, andere hingegen ziehen Ladung ab (hemmende Synapsen).

Der Kondensator der Nervenzelle ist zudem etwas „undicht“ und verliert von selbst Ladung (Leckströme). Trotz dieser Wettbewerbssituation um die Ladung in der Nervenzelle erreicht die elektrische Spannung der Membran irgendwann einen magischen Wert: die „Feuerschwelle“ zum Aussenden eines Aktionspotenzials. Der elektrische Einheitspuls wird über das Axon in das Netzwerk gesandt. Anschließend beginnt der Prozess des Aufladens der Membran erneut.

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Karlheinz Meier / Universität Heidelberg / Ruperto Carola
Stand: 31.10.2008

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Auf dem Weg zum künstlichen Gehirn?
Wissenschaftler arbeiten an Computern nach dem Vorbild des Gehirns

Vom Reiskorn zum Moore‘schen Gesetz
Wie weit ist die Informationstechnologie?

Ähnlich aber grundsätzlich verschieden
Strukturelle Unterschiede zwischen Gehirn und Computer

Kein zentraler Takt
Kommunikation von Nervenzellen im Gehirn

2.500 Gigabyte pro Sekunde
Ist das Gehirn zu komplex für einen „Nachbau“?

Ein Kondensator als Nervenzell-Modell
Analoge Technik simuliert biologische Funktion

Plastizität ist Trumpf
Die Herausforderung der künstlichen Synapsen

Ohne Interdisziplinarität geht es nicht
Projekt verbindet Physiker und Neurobiologen

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Was bringen die neuen neuronalen Netze?

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