Geheimnisvolles Gehirn:
Forscher entschlüsseln Teile des neuronalen Codes

Interdisziplinäres Forschungsteam aus Informatikern und Hirnforschern präsentiert Ergebnisse in „PLoS Biology"

Das menschliche Gehirn funktioniert noch weit komplexer als bislang angenommen. Wenig beachtet war bislang etwa der Faktor Zeit bei der Informationsverarbeitung in neuronalen Schaltkreisen. „Liquid Computing“, wörtlich übersetzt „fließendes Rechnen“ - eine neue Theorie von Informatikern der TU Graz zum Funktionieren dieser komplexen Netzwerke von Nervenzellen – hat nun ihren ersten Test bestanden: In einer disziplinenübergreifenden Kooperation mit Neurowissenschaftern vom Max-Planck-Institut (MPI) für Hirnforschung in Frankfurt gelang es zu zeigen, dass bereits frühe Verarbeitungsstadien im Gehirn Informationen über einen längeren Zeitraum zusammenfassen. Für die Auswertung der Experimente mussten die Forscher auch den neuronalen Code knacken. Die Wissenschafter veröffentlichen die neuen Erkenntnisse ihrer Forschungsarbeit, die in Österreich der Wissenschaftsfonds FWF fördert, in der aktuellen Ausgabe von „PLoS Biology“, einer der angesehensten Fachzeitschriften in diesem Bereich.

Die Vorstellung, dass das Gehirn Informationen Schritt für Schritt verarbeitet, scheint veraltet: „Das menschliche Gehirn funktioniert nicht nach dem Prinzip der Fließbandarbeit. Es kann bei der Verarbeitung von Information weit flexibler mit der Zeit umgehen als bislang angenommen“, erklärt Wolfgang Maass, Leiter des Instituts für Grundlagen der Informationsverarbeitung der TU Graz.

Wie Wellen im Wasserteich

Sein Grazer Mitarbeiter Stefan Häusler vergleicht das Grundprinzip mit einer Wasseroberfläche: „Das Gehirn funktioniert wie ein Wasserteich, in den Steine hineingeworfen werden: Die dadurch entstandenen Wellen verschwinden nicht sofort, sondern überlagern sich und sammeln Information darüber, wie viele und wie große Steine hineingeworfen wurden. Ein wesentlicher Unterschied ist nur, dass sich diese Wellen im Gehirn in einem Netzwerk von Neuronen ausbreiten und das mit sehr hoher Geschwindigkeit“, so Stefan Häusler. Die Theorie des „Liquid Computing“ wurde nun in Kooperation mit den Frankfurter Hirnforschern Danko Nikolić und Wolf Singer erstmals experimentell überprüft. Dabei stellte die Informatiker auch die Auswertung der Experimente vor eine Herausforderung: Sie mussten den neuronalen Code entschlüsseln, mit dem die etwa hundert im Experiment beobachteten Neurone die Information untereinander aufteilen. Das gelang mittels neuer Verfahren der automatisierten Mustererkennung.

Simulation des menschlichen Gehirns als Vision

Entwickelt wurde die zugrundeliegende Theorie des „Liquid Computings“ vom Schweizer Neurowissenschafter Henry Markram gemeinsam mit TU-Informatiker Maass, der sein neues Modell für Berechnungen im menschlichen Gehirn erst heuer in den besonders angesehenen „Nature Reviews in Neuroscience“ veröffentlicht hat. Diese Theorie der Informationsverarbeitung in neuronalen Schaltkreisen im Gehirn wurde nun auch experimentell überprüft. „Das Ergebnis aus der Zusammenarbeit mit dem vom renommierten Hirnforscher Wolf Singer geleiteten MPI ist eines der raren Beispiele, wo eine aus der Informatik-Theorie stammende Aussage durch neurobiologische Experimente getestet und bestätigt wird“, so Wolfgang Maass. Die Vision der Forscher: neue Perspektiven zum besseren Verständnis des Zusammenspiels der Zellen im Gehirn zu entwickeln bis hin zur umfassenden Simulation von Teilen des Gehirns.