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Von Stufe zu Stufe…

Neuronale Netze in der Natur – und im Labor

Der Schritt vom Zuhören zum Dialog, also die Signalübertragung in umgekehrter Richtung vom Chip zum Neuron, gelang erstmals 1995 und rückte den eher zurückhaltenden Max-Planck-Forscher ins Rampenlicht der internationalen Presse: „Neuron talks to chip, and chip to nerve cell“, titelte zum Beispiel die NEW YORK TIMES. Von da an konnte sich Fromherz über mangelnde Aufmerksamkeit der Medien nicht mehr beklagen.

Allerdings ist vieles, was über ihn geschrieben wird, mehr „Fiction“ als „Science“ und hat mit seinem Forschungsalltag wenig gemein. Die Vision eines im Gehirn implantierten Chips, der Wahrnehmung und Bewusstsein willkürlich steuert, mag ein phantastischer Stoff für Kinofilme wie „Matrix“ sein – doch die Wissenschaft ist weit davon entfernt.

Netze als Ziel

Was also ist das Ziel? „Wir wollen die Dynamik der Gedächtnisbildung von neuronalen Netzwerken studieren. Man weiß sehr viel darüber, wie einzelne Neuronen und Synapsen arbeiten, dagegen gibt es zur Frage, wie die dadurch bestimmte Dynamik eines neuronalen Netzes funktioniert, zwar viele Theorien, aber kaum Experimente. Wir versuchen gegenwärtig in einem nächsten Schritt, auf geeignet konstruierten Halbleiterchips kultivierte neuronale Netze zu erzeugen“, sagt Fromherz.

Weil die bereits etablierten Blutegel- Neurone in Kultur untereinander keine synaptischen Kontakte knüpfen, mussten sie den Nervenzellen der Schlammschnecke Lymnaea stagnalis weichen. Die Schnecken- Neurone sind ebenfalls ausreichend groß, um sie einzeln auf einem Chip zu platzieren und – da sie in Kultur effiziente elektrische Synapsen ausbilden – kleine Netzwerke zu bauen. Nicht ganz unwesentlich: Solche kleinen Netze haben bei wirbellosen Tieren bereits eine biologische Funktion.

Pflöcke halten Zellen im Zaum

Die Ausbeute bei der Suche nach Neuronenpaaren, bei denen alle drei Kopplungen existierten – vom Silizium zum Neuron, vom Neuron zum Neuron und schließlich vom Neuron zum Silizium – war zunächst jedoch sehr gering. Ein Grund war, dass die Zellen durch die Kräfte der wachsenden Fortsätze von den Halbleiterstrukturen weggezogen wurden. Dieses Problem haben die Forscher inzwischen gemeistert: Um die Zellen auf dem Mikrochip an Ort und Stelle zu halten, haben sie die einzelnen Nervenzellen mit mikroskopisch kleinen „Pflöcken“ aus Polyimid umgeben, die mit einem photolithografischen Verfahren auf der Oberfläche der Chips erzeugt werden.

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Alle bisherigen Erkenntnisse beziehen sich auf einzelne Nervenzellen – aufgebracht auf einem sauberen Chip in einem definierten Wachstumsmedium; ein solcher Chip hält viele Monate. In einem Gewebe dagegen ist alles anders. Fromherz und seine Mitarbeiter haben dünne Schnitte von Rattenhirn angefertigt und diese auf die Chips gebracht; der Chip kontrolliert und beobachtet also die im Gehirn gewachsenen Netze. Auch damit konnten die Forscher mittlerweile einen entsprechenden Signalbogen Silizium-Hirn-Synapse- Hirn-Silizium realisieren.

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Stand: 09.04.2004

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Chips und Neuronen im Dialog
Verbindungen von Nervenzellen und Siliziumtechnologie

Riesennervenzellen auf Silizium
Wie sich Chip und Zelle näher kommen

Zwei Basistechnologien - ein Experiment
Parallele Arbeit in Halbleitertechnologie und Gentechnik

Von Stufe zu Stufe...
Neuronale Netze in der Natur – und im Labor

Mehr Kontakte für die Zellen
Wann geht das Gehirn online?

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