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Unser Gehirn: Starker Verlass auf Wahrscheinlichkeitstheorie
Für jeden Ingenieur ist es eine Selbstverständlichkeit: Um ein verlässliches System zu bauen, benötigen wir Teile, die sich durchgängig exakt so verhalten, wie sie sollen. Es ist bekannt, dass Nervenzellen, die Bausteine von Gehirnen, diese Anforderung nicht erfüllen. Sogar Nervenzellen desselben Typs weisen grosse Varianzen in ihren Eigenschaften auf, und diese Eigenschaften variieren auch mit Verlauf der Zeit. Es ist auch bekannt, dass Synapsen, die Verbindungen zwischen Nervenzellen, höchst unzuverlässig sind im Übertragen von Signalen, wobei sich die Fehlerquote im Bereich von 60 bis 80 Prozent bewegt. Auf den ersten Blick scheint Varianz ein immenser Nachteil für den Bau von verlässlichen Systemen zu sein. Man geht daher intuitiv davon aus, dass die Natur geeignete (aber unbekannte) Mittel gefunden haben muss, um diesen Nachteil auszugleichen. Das Hauptziel dieses Projekts ist es, zu zeigen, dass tatsächlich genau das Gegenteil der Fall sein mag: Die intrinsiche Heterogenität von Nervenzellen und die Unzuverlässigkeit der synaptischen Übertragung "hilft" den Gehirnen sogar, verlässlich und effizient zu funktionieren.
In den letzten Jahrzehnten wurde viel theoretische Forschung betrieben, um die neuronale Kodierung und Signalverarbeitung zu verstehen. Die meisten Studien beschäftigten sich mit dem Verhalten von Nervenzellen in abstrakten Netzwerken bestehend aus höchst vereinfachten und identischen Nervenzellen. Diese Herangehensweise basiert auf einem Prinzip, das sich in der Mathematik und in vielen anderen Disziplinen als sehr erfolgreich erwiesen hat: Zuerst verstehen wir, wie ein System in einem reinen Umfeld funktioniert, und dann verallgemeinern wir es Schritt für Schritt, um es in ein unruhigeres, realistischeres Szenarium zu übertragen. Unsere Vermutung ist, dass solch eine Herangehensweise in der Neurowissenschaft leicht zu falschen Vorstellungen über fundamentale Prinzipen der Informationsverarbeitung im Gehirn führen kann. In diesem Projekt beabsichtigen wir, ein geeignetes experimentelles Set-up zu entwickeln, welches unsere primäre Behauptung bekräftigt: Varianz ist kein Fehler sondern eine Eigenschaft!
Unser Gehirn besteht aus ungefähr 1010 Nervenzellen und 1015 Synapsen – aber wir haben weniger als 20.000 Gene. Wie können so wenig Gene gewährleisten, dass unser Gehirn so konstruiert ist, dass es all diese faszinierenden Eigenschaften aufweist, die wir so schätzen? Unsere Hypothese: Die Mehrheit der neuronalen Synapsen werden durch Zufall produziert – und das Wahrscheinlichkeitsgesetz sorgt dafür, dass alles glatt läuft.
Publikationen
In: PLoS ONE, 2013 DOI: 10.1371/journal.pone.0080694
Reliable neuronal systems: The importance of heterogeneity
Lengler, Johannes, Jug, Florian and Steger, Angelika