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Christian Eurich LIS / Kippenberg-Gymnasium Institut für Theoretische Physik Universität Bremen Die Interpretation von Hirnsignalen Ein aktuelles Thema.

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Präsentation zum Thema: "Christian Eurich LIS / Kippenberg-Gymnasium Institut für Theoretische Physik Universität Bremen Die Interpretation von Hirnsignalen Ein aktuelles Thema."—  Präsentation transkript:

1 Christian Eurich LIS / Kippenberg-Gymnasium Institut für Theoretische Physik Universität Bremen Die Interpretation von Hirnsignalen Ein aktuelles Thema für den interdiziplinären Unterricht

2 Inhalt Teil I: Neurowissenschaften heute – Chancen und Risiken (Relevanz; Biologie) Teil II: Mathematische Aspekte Teil III: Ein Projekt in Klasse 12

3 Teil I: Die Neurowissenschaften heute Wissenschaft, die sich mit dem Aufbau, der Funktionsweise und den Leistungen von Gehirnen beschäftigt Neurowissenschaften Medizin Biologie Psychologie Physik Mathematik Informatik Ingenieur- wissenschaften Philosophie Jura

4 Ein Thema für die Schule? Bildungsgehalt dieses Themenkomplexes? Neurowissenschaften: Von der Grundlagenforschung zu Anwendungen An der Schwelle zu einer Spitzentechnologie (vgl. Genetik)! Große Chancen, viele Risiken und offene Fragen

5 Die Entschlüsselung von Hirnaktivität Wie werden im Gehirn Informationen verarbeitet? Gebiet der neuronalen Kodierung Heute: Entwicklung von Brain-Computer-Interfaces Gabriel Curio (Charité) Klaus-Robert Müller (Fraunhofer)

6 Das Gehirn / Nervenzellverbände Zeichnung von S. Ramón y Cajal

7 Nervenzellen (Neuronen) Zellkörper Dendriten Nerven- faser Synapse

8 Aktionspotentiale (Spikes) Elektrische Impulse in der Nervenfaser Nervenfaser Im Modell:

9 Messung der Aktivität von Zellen Mikroelektroden Heute: > 100 Zellen gleichzeitig (Hoag 2003) Serie von Aktions- potentialen (Spiketrain)

10 Arbeitsprogramm Zusammenhänge zwischen Hirnaktivität und Wahrnehmung, Handlungen und inneren Zuständen

11 Beispiel: Handbewegungen Wessberg et al., Nature 408 (2000) 361

12 Beispiel: Armbewegungen Wessberg et al., Nature 408 (2000) 361

13 Beispiel: Armbewegungen

14 Chancen: Motorische Neuroprothesen E. N. Brown, Harvard Medical School Robotersteuerung funktioniert auch ohne reale Handbewegungen...

15 Risiken: Militärische Anwendungen DARPA

16 National Science Foundation / Department of Commerce, Conference Converging Technologies for Improving Human Performance, 2002

17 Roborat Chronische Implantation von Elektroden: rechter/linker somatosensorischer Cortex – Tastreize mediales Vorderhirnbündel – Belohnungen Ratten können sich frei bewegen Training der Tiere: Stimulation der Elektroden als Befehl zur Bewegung; Konditionierung durch Belohnungs- reize Talwar et al., Nature 417 (2002) 38 von DARPA gefördert

18 Roborat Resultat: Bewegung auf komplexen Wegen inkl. Klettern und Springen Durch MVB-Stimulation werden die Tiere motiviert Bewegung auch in Gelände, das die Ratten normalerweise meiden (z. B. helle, offene Flächen)

19 Anwendungen [...] a guided rat can be developed into an effective `robot´ […] Suche nach Verschütteten Minenräumung(!) Spionage Prof. Shimoyama, Bio-Robot Research Team, Tokyo University: Roboroach Kakerlake mit Implantat Associated Press, Juli 2001

20 Teil II: Mathematische Aspekte

21 Das stochastische Gehirn Reaktion einer Nervenzelle ist nicht immer gleich! (Daten von S. Mandon)

22 Neuronaler Code: Zähle bei jeder Versuchswiederholung die Anzahl der Aktionspotentiale Rekonstruktion von Reizen in drei Schritten: 1. Messung der Statistik der Neuronen 2. Eine einzelne Messung bei unbekanntem Reiz 3. Schätzung des Reizes Wahrscheinlichkeitsrechnung (Kl. 12)

23 Zufallsexperiment: Messung (bei geg. ) Elementarereignisse: 0, 1, 2,..., n Aktionspotentiale Absolute / relative Häufigkeiten Schritt 1: Statistik eines Neurons

24 Modellierung der Statistik bei bekanntem Mittelwert np: Binomialverteilung Schritt 1: Statistik eines Neurons

25 Binomialverteilungen für verschiedene Winkel verschiedene Werte von p Schritt 1: Statistik eines Neurons p p

26 Schritt 2: Eine Messung Durchführung einer einzelnen Messung mit unbekanntem Reiz Resultat z. B.: k=5 Aktionspotentiale

27 Schritt 3: Rekonstruktion Schätzung von für die Messung k=5: Trage als Funktion von auf: Die Stelle des Maximums liefert den Schätzwert! Maximum-Likelihood- Schätzung

28 Teil III: Projekt in Klasse 12 Projektarbeit zweier Schüler Fächer: Biologie, Mathematik, Deutsch Erarbeitung des biologischen Hintergrundes Erarbeitung der grundlegenden Schätzmethode

29 Projekt in Klasse 12 Besuch zweier Uni-Institute: Institut für Institut für Theoretische Physik Hirnforschung

30 Projekt in Klasse 12 Auswertung von Original-Daten Erörterung über Tierversuche

31 Zusammenfassung Neurowissenschaftliche Forschung ist aktuell und gesellschaftlich sehr relevant Neurowissenschaftliche Themen gehören zum Teil zu den normalen Curricula; fächerübergreifender Unterricht ist notwendig Selbst neueste Forschungsergebnisse lassen sich - quantitativ! – im Rahmen der Schulmathematik/-biologie behandeln

32 Stellenausschreibung Postdoctoral position in neurobiology / engineering in Woods Hole A 4-year DARPA research project, funded annually, to steer the behavior of sharks in the natural environment through stimulation of selected sensory brain areas. Expertise in brain stimulation, multi-electrode recording and neural data analysis most desirable. Interfacing with wireless data transmission and stereotactic electrode positioning. Send applications and inquiries to Jelle Atema, PhD Professor Boston University Marine Program Marine Biological Laboratory Woods Hole, MA Connectionist List,


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