Neuronale Netze Mathematiker enträtseln Geruchssinn

Der Geruchssinn ist stets im Training. Dabei lernt das Gehirn, Muster voneinander zu unterscheiden. Dieses Phänomen stellte Forscher lange Zeit vor Rätsel. Ein Wissenschaftlerteam ist diesem wichtigen Aspekt des Riechens auf den Grund gegangen - mit Hilfe von Mathematik.

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Viele biologische Prozesse, zum Beispiel kognitive Prozesse im Gehirn, sind bisher nicht mathematisch beschrieben - und somit nicht nachvollziehbar. Bis vor kurzem war der Geruchssinn einer davon. Zwar hatten Forscher bereits im Groben verstanden, wie sich zum Beispiel der Duft von frischem Apfelkuchen seinen Weg ins Gehirn bahnt. Doch wie kann der Mensch bis zu 10.000 verschiedene Duftstoffe riechen? Bei der Aufklärung der genauen Mechanismen tappten die Wissenschaftler bisher im Dunkeln.

Man könne den Geruchssinn als komplexesten aller chemischen Sinne bezeichnen, sagt Rainer Friedrich vom Friedrich Miescher Institut für biomedizinische Forschung in Basel. Bereits bei unserer Geburt ist der Schnuppersinn vollständig ausgereift. Er entwickelt sich aber im Laufe des Lebens immer weiter. Dieses Phänomen bezeichnen die Experten als Dekorrelation. Sie ist ein wichtiger Bestandteil des Riechprozesses. Jetzt ist ein interdisziplinäres Forscherteam aus Mathematikern und Neurobiologen der Dekorrelation auf die Spur gekommen - und zwar mit Hilfe von Mathematik. Im Fachmagazin "Nature Neuroscience" beschreiben die Forscher das Prinzip der Dekorrelation, und wie sie das Phänomen entschlüsselt haben.

Wenn wir an etwas schnuppern, empfangen Duftrezeptoren den Geruchsreiz in der Nase und leiten ihn über Nervenzellen an den Riechkolben weiter - eine Ausstülpung des Gehirns, wo die Verarbeitung der Duftinformationen beginnt (siehe Grafik links oben). Der Mensch besitzt nur etwa 350 verschiedene Duftrezeptoren - wenig im Vergleich zu Hunden oder Mäusen, die mehr als tausend davon haben. Zum Glück können wir trotzdem weit mehr als 350 Gerüche unterscheiden. Wie aber funktioniert das? Die Rezeptoren in der Nase reagieren jeweils auf einzelne Duftstoffe. Nicht aber die Information eines einzelnen Rezeptors wird im Gehirn als ein bestimmter Duft erkannt: Vielmehr ergeben die Informationen aller Rezeptoren ein Muster, das den Duft verschlüsselt. Das ist ungefähr so, wie wenn im Fußballstadion alle Fans einfarbige Papierbögen in die Luft halten und man aus der Entfernung das Vereinslogo erkennen kann.

Durchschnittlich 5000 verschiedene Gerüche kann der Mensch unterscheiden

Theoretisch sind die Riechzellen dazu in der Lage, 10.000 verschiedene Gerüche zu unterscheiden - doch das erfordert ein bisschen Übung. Durchschnittlich Geruchserprobte können nur etwa 5000 Gerüche korrekt zuordnen. Indem man sich vielen verschiedenen Duftreizen aussetzt, kann man sein Geruchsrepertoire erweitern und es verfeinern. Doch was passiert bei diesem Geruchstraining?

Ein neuer Geruch ruft im Gehirn immer ein Muster hervor. Doch selbst, wenn sich Gerüche voneinander unterscheiden, kann es sein, dass das neue Muster einem bereits bekannten Muster stark ähnelt. Einer Testperson, bei der dieses Phänomen auftritt, würde es zunächst schwerfallen, jene beiden Gerüche auseinanderzuhalten. In diesem Fall kommt es zur Dekorrelation: Die beiden ähnlichen Muster werden in gegenseitiger Abhängigkeit verändert und voneinander abgegrenzt (siehe Grafik links mittig). Am Ende dieses Prozesses kann das Gehirn auf zwei besser unterscheidbare Muster zurückgreifen - und die Testperson kann die beiden Gerüche klar zuordnen.

Bisher war nicht bekannt, wieso in neuronalen Netzen die Dekorrelation auftritt. Martin Wiechert, ein Mathematiker aus dem Team um Friedrich, hat jetzt mathematisch bewiesen, dass Dekorrelation eine natürliche Eigenschaft bestimmter neuronaler Netze ist.

Man kann den Mechanismus der Dekorrelation mit Bildbearbeitung vergleichen: Dort gibt es das sogenannte Schwellwertverfahren (siehe Grafik links unten). Wird es auf ein Bild angewendet, werden Pixel, die einen bestimmten Helligkeitswert unterschreiten, nicht mehr berücksichtigt. In einer extremen Variante dieses Verfahrens erscheinen Pixel, deren Hellligkeit den Schwellenwert nicht erreichen, weiß, und alle anderen schwarz. Die auf dem Bild dargestellten Objekte werden so deutlicher erkennbar. Man sieht genau, welche Pixel zu einem bestimmten Objekt gehören und welche nicht. Nach einem ähnlichen Prinzip werden in der Musterdekorrelation schwächere Signale ausgeblendet und stärkere betont.

Eine Frage der Vernetzung

Wiechert hat nicht nur gezeigt, dass Musterdekorrelation eine Eigenschaft neuronaler Netze ist, sondern auch, wodurch dieser Prozess beeinflusst wird. Bereits aus früheren Studien wusste man, dass die Vernetzung der Nervenzellen im Riechkolben verhältnismäßig gering ist. "Aber wir wussten nicht, warum das so ist", sagt Friedrich. Mit Hilfe ihrer mathematischen Modelle haben die Forscher den Zusammenhang jetzt aufgeklärt. Ihre Erkenntnisse waren verblüffend: Je geringer der Grad der Vernetzung der Riechzellen, desto stärker war die Korrelation.

"Wir können jetzt nicht nur die Struktur der neuronalen Netze im Riechkolben erklären, sondern auch besser verstehen, was passiert, wenn wir riechen", sagt Friedrich.

In der zweiten Etappe der Studie konnten die Forscher die mathematischen Ergebnisse experimentell bestätigen. Dazu entwickelten sie künstliche neuronale Netze, die an die neuronale Struktur des Zebrafischs angelehnt waren. Anschließend verglichen die Wissenschaftler ihre Simulationsdaten mit empirischen Daten des Zebrafischs - und stellten große Ähnlichkeiten fest.

Neben den neuen Erkenntnissen darüber, wie der Geruchssinn funktioniert, haben die Ergebnisse noch einen anderen Wert: Bisher sei es zwar möglich gewesen, neurale Netze mit Musterdekorrelation zu programmieren. Allerdings habe man dazu immer schon vorher den Input kennen müssen. So als müsste man schon zum Zeitpunkt seiner Geburt wissen, welchen Geruchsreizen man im Laufe seines Lebens ausgesetzt sein wird. Den Wissenschaftlern ist es erstmalig gelungen, ein neuronales Netz zu konstruieren, das - unabhängig vom Input - alles dekorreliert. "Das Grundprinzip der Dekorrelation geht über die Biologie hinaus", sagt Friedrich. Er kann sich gut vorstellen, dass es für die Erkenntnisse Anwendungen in anderen Gebieten, zum Beispiel im Ingenieurwesen, gibt.

smk

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