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Neuronales Rauschen hilft Ihnen beim Lernen

30.03.2015

Vor zwanzig Jahren entdeckten Neurowissenschaftler aus Stanford in einigen Gehirnneuronen eine seltsame Geräuschaktivität: Sie reagierten auf Reize, die nichts mit ihnen zu tun zu haben schienen. Und eine solche Aktivität entstand genau dann, wenn das Gehirn eine Entscheidung traf. Das Experiment selbst lief folgendermaßen ab: Die Versuchstiere mussten bestimmen, wie sich Punkte auf dem Bildschirm bewegen, von rechts nach links oder von links nach rechts; bei richtiger antwort gab es eine belohnung. Mit Hilfe eines solchen Modells lässt sich untersuchen, welche Prozesse im Gehirn mit der Bildung von Kategorien einhergehen. Die Kategorisierung von Objekten und Phänomenen ist eines der allgemeinsten Merkmale der Psyche, die dem Lernen zugrunde liegt, und es wäre wirklich interessant zu wissen, was in diesem Moment im Gehirn passiert. In diesem Fall war es, wie leicht zu verstehen ist, notwendig, zwei Klassen von Objekten zu unterscheiden: diejenigen, die sich in eine Richtung bewegen, und diejenigen, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen.

So konnte eine Gruppe von Neuronen gefunden werden, die auf Bewegung reagieren, darunter auch solche, die gerade im Moment der Entscheidungsfindung besonders aktiv wurden. Ihre Aktivität sah jedoch so aus, als ob einige Zellen als Antwort auf den Punkt „von rechts nach links!“ riefen, während andere als Antwort auf denselben Punkt „von links nach rechts!“ riefen, unabhängig davon, wohin sich der Punkt tatsächlich bewegte. Der Rauschpegel wurde mit Hilfe einer Belohnung für die richtige Antwort reduziert – es stimmte die Neuronen, machte sie wählerischer und weniger laut, sodass sie anfingen, hauptsächlich nur auf Punkte einer, „ihrer“ Kategorie zu reagieren. Besonders seltsam war, dass das neuronale Rauschen in den Bereichen des Kortex, die normalerweise mit der Entscheidungsfindung in Verbindung gebracht werden, überhaupt nicht auftrat.

Warum Neuronen im „Nicht-Kern“-Teil des Gehirns laut sind, konnten wir erst jetzt mit Hilfe eines von Tatiana Engel und ihren Kollegen entwickelten Computermodells teilweise herausfinden; die Ergebnisse ihrer Arbeit werden in Nature Communications veröffentlicht. Das Modell ahmte die Arbeit neuronaler Schaltkreise nach, die sensorische Bereiche des Gehirns mit kategorisierenden Bereichen verbinden. Virtuelle Neuronen „beobachteten“ Punkte, die sich in unterschiedliche Richtungen bewegten und die – wie im ursprünglichen Tierversuch – in dieselben zwei Klassen „rechts“ und „links“ eingeteilt werden mussten.

Einem simulierten neuronalen Schaltkreis kann im Gegensatz zu einem echten die Fähigkeit genommen werden, Geräusche zu machen, was die Forscher taten. Aber es stellte sich heraus, dass ohne das neuronale Rauschen, das die Wahl begleitet, die Bildung von Kategorien unmöglich ist. Mit anderen Worten, damit sich eine Klasse von Punkten, die sich von rechts nach links bewegen, im Geist bilden kann, muss das Gehirn eine Wahl unter "lauten" Bedingungen treffen, wenn einige der Neuronen gleichzeitig für die falsche Antwort "aufregen". Wenn wir die Punkte ignorieren und ein realistischeres Beispiel aufgreifen, dann stellen Sie sich vor, dass Sie jeden Morgen zwischen einer Tasse Kaffee und einer Tasse Tee wählen. Eine Woche, zwei Wochen, einen Monat, sechs Monate lang treffen Sie jeden Tag eine Wahl und am Ende kommen Sie zu dem Schluss, dass eine Tasse Kaffee am Morgen genau das ist, was Sie brauchen. Aber wenn es plötzlich passiert, dass Ihr Gehirn geräuschlos eine Wahl trifft, dann werden Sie einfach keine Verbindung zwischen den Morgenstunden und dem Kaffee herstellen, das Konzept des Morgenkaffees wird fehlen.

Natürlich besteht hier eine große Versuchung, neuronales Rauschen als „Zweifel“ oder als „die Notwendigkeit, alle möglichen Lösungen in Betracht zu ziehen“ zu interpretieren. Allerdings gehören solche Formulierungen eher in den Bereich der Philosophie, die wir bisher kaum bestimmten neurophysiologischen Phänomenen zuordnen können. Es kann jedoch durchaus sein, dass neue Daten in der Zukunft die Entwicklung einiger Hardwaremethoden ermöglichen werden, die die kognitiven Fähigkeiten verbessern – durch das Management von neuronalem Rauschen. Aber vorerst bleibt abzuwarten, woher es tatsächlich kommt: ob es die sensorischen Abteilungen sind, die es erzeugen, oder ob es von anderen Bereichen des Gehirns produziert wird, die direkt mit der Entscheidungsfindung zu tun haben, oder ob es sowohl sensorisch als auch kognitiv ist Hier sind Abteilungen eingebunden.

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Energie aus dem Weltraum für Raumschiff 08.05.2024

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Neue Elektronik widersteht Strahlung und Hitze 28.06.2012

Ingenieure der University of Utah haben mikroskopisch kleine mechanische Geräte (MEMS) entwickelt, die der stärksten radioaktiven Strahlung und Hitze standhalten können. Laut Wissenschaftlern können die von ihnen entwickelten Geräte Roboter oder Computer sogar in einem Reaktor oder im Weltraum steuern.

Ionisierende Strahlung beschädigt herkömmliche Elektronik schnell, sodass Sie zahlreiche redundante Schaltkreise und leistungsstarke Schutzvorrichtungen verwenden müssen, wie dies beispielsweise bei den Robotern der Fall war, die im Notfall-Kernkraftwerk Fukushima arbeiteten. Aber selbst die geschützten Roboter, die zur Überwachung der beschädigten Reaktoren entsandt wurden, stellten nach einigen Stunden ihre Arbeit ein. Die Sache ist, dass starke ionisierende Strahlung "zusätzliche" leitende Kanäle in Halbleitern durchbricht, was die Elektronik deaktiviert.

Zum ersten Mal ist es Wissenschaftlern gelungen, eine einzigartige Technologie zu entwickeln, die selbst in Gegenwart der stärksten ionisierenden Strahlung weiter funktioniert. Die neuen Bauelemente sind 25 x 25 Mikron große Logikelemente, die die einfachsten logischen Operationen ausführen: „Ein“ oder „Aus“. Mikroskopisch kleine mechanische Geräte können sogar in einem Kernreaktor funktionieren

Während der Experimente wurden neue Geräte zwei Stunden lang in den Kern eines Universitätsreaktors getaucht, und MEMS arbeiteten weiter, als wäre nichts passiert. MEMS wurden nicht durch ionisierende Strahlung zerstört, da sie keine Halbleiterkanäle verwenden. Dies sind einfache mikroskopische Schalter mit Wolframelektroden, die sich berühren und einen Stromkreis herstellen oder unterbrechen.

In Bezug auf "traditionelle" Anwendungen haben MEMS bestimmte Nachteile, sie sind beispielsweise 1000-mal langsamer als Siliziumelektronik und außerdem weniger langlebig (aufgrund des Vorhandenseins beweglicher Teile). Wenn es jedoch um extreme Betriebsbedingungen geht, ist MEMS unübertroffen. So arbeiteten während der Experimente mikroskopisch kleine mechanische Geräte stundenlang im Vakuum bei einer Temperatur von 277 Grad Celsius und sogar im Kern eines 90-kW-Forschungsreaktors. Selbst die zuverlässigste und geschützteste Siliziumelektronik versagt unter solchen Bedingungen nach wenigen Minuten. Unter normalen Bedingungen arbeitete MEMS etwa 2 Monate lang und absolvierte mehr als eine Milliarde Zyklen ohne Ausfall. Derzeit planen Wissenschaftler, diese Zahl um das Millionenfache zu verbessern.

Der Einsatz von MEMS eröffnet völlig neue Möglichkeiten zur Überwachung des Betriebs von Kernkraftwerken, Verbrennungsmotoren und zur Schaffung von Sonden, die die gefährlichsten Stellen durchdringen können, ohne dass leistungsstarke und schwere Schutzsysteme erforderlich sind.

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