Hirnforschung Tempolimit der Gedanken entdeckt

Menschen können nicht unbeschränkt schnell denken, glauben Göttinger Neurophysiker. Bei Simulationen an einem Synapsen-Modell stießen sie auf ein Geschwindigkeitslimit, das von der Dichte der Verschaltungen im Gehirn abhängt.


Gehirn als neuronales Netz: Systembedingtes Tempolimit
Max-Planck-Institut für Strömungsforschung

Gehirn als neuronales Netz: Systembedingtes Tempolimit

Schnelldenker haben es nicht leicht. In der Schule hängen sie ihre Klassenkameraden ab, und auch bei Freunden und Bekannten stößt ihr flotter Durchblick nicht immer auf Gegenliebe. Doch auch die Oberschlauen stoßen irgendwann an ihre Grenzen, wie Hirnforscher vom Göttinger Max-Planck-Institut jetzt herausgefunden haben.

Die Physiker simulierten an einem neuronalen Netzwerk, wie schnell sich seine zahlreichen Komponenten koordinieren und synchronisieren können. Dabei stießen sie auf eine Art Maximalgeschwindigkeit für die Informationsverarbeitung im Gehirn. Die Synchronisationsgeschwindigkeit zwischen Nervenzellen habe eine obere Grenze, die von der Dichte ihrer Verschaltungen abhänge, schreiben die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Physical Review Letters".

Die neuronalen Netzwerke im Gehirn bestehen aus einer Vielzahl ähnlicher Komponenten. Die Nervenzellen kommunizieren miteinander durch den Austausch von Impulsen über ihre Verbindungsstellen, die Synapsen. Die synaptischen Verbindungen zwischen Nervenzellen wachsen hochgradig unregelmäßig - ganz anders als beispielsweise bei Atomen in einem Kristall, die in einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind.

Das Team um Theo Geisel entwickelte ein mathematisches Modell, mit dessen Hilfe sich präzise bestimmen lässt, wie schnell Neuronen ihre Aktivität koordinieren. Diese mathematischen Ausdrücke sagen die Abhängigkeit der Synchronisationsgeschwindigkeit von Eigenschaften einzelner Neuronen sowie von der Netzwerkstruktur genau vorher.

Erwartungsgemäß stellten die Max-Planck-Forscher fest, dass Neuronen sich umso schneller synchronisieren, je stärker die synaptischen Verbindungen zwischen ihnen sind. Überraschenderweise zeigten ihre Untersuchungen aber auch, dass es ein Tempolimit für die Synchronisation des Netzwerks gibt: Selbst bei beliebig starken Synapsenverbindungen kann das Synchronisationstempo eine bestimmte Grenze nicht überschreiten.

Dieses Tempolimit wird durch die komplizierte Verschaltungsstruktur des Netzwerkes festgelegt und würde nicht auftreten, wenn jedes Neuron mit jeder anderen Nervenzelle in dem Netzwerk verbunden wäre. Sofern das verwendete Modell die Vorgänge im Gehirn korrekt beschreibt, bedeutet dies, dass unser Denken und Handeln erheblich durch die Verschaltung des Netzwerks beschränkt wird, sagte Theo Geisel, Chef das Göttinger Max-Planck-Institut für Strömungsforschung. Hirnareale, in denen ein schneller Informationsaustausch wichtig sei, müssten deshalb hochgradig vernetzt sein, um ihre Funktion überhaupt erfüllen zu können, folgert Geisel.



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