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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 6. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Wie eine Nervenzelle funktioniert Konstruktion eines künstlichen Neurons Weiterverwendung.

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1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 6. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Wie eine Nervenzelle funktioniert Konstruktion eines künstlichen Neurons Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Künstler-Vision einer Nervenzelle

3 Feuernde Nervenzelle Aktionspotentiale

4 Riechsinneszelle im Grubenkegel einer Wanderheuschrecke Antwort auf einen Duftreiz

5 Reizstärke Impulshöhen-Kodierung Impulsbreiten-Kodierung Impulsfrequenz-Kodierung !

6 Impulsfrequenz-Kodierung am Ausgang einer Riechsinneszelle

7 Nucleus Synapse Dendrit Soma Axon Myelin Neuron - Biologische Bezeichnungen

8 Das Gehirn besitzt ungefähr Synapsen pro Nervenzelle Das Gehirn besitzt ungefähr Nervenzellen

9 Dendrit Soma Encoder Axon Chemisch gesteuerte Membran Elektrisch gesteuerte Membran + Synapse – Synapse Aufbau einer Nervenzelle Synaptische Bläschen

10 Axon Synaptischer Spalt Postsynaptische Membran Präsynaptisches Gitter Synapse Ionen -Tor Transmitter

11 EPSP Exzitatorisches Post- Synaptisches Potenzial Transmitter Na + -Ionen

12 IPSP Inhibitorisches Post- Synaptisches Potenzial Transmitter K + -Ionen

13 EPSP IPSP 10 ms Zeitliche Form eines EPSPs und eines IPSPs

14 Soma Encoder Axon Dendrit PSP PSP > 50mV

15 Membran Signalmolekül (Transmitter) Rezeptor V Ionen Chemisch gesteuerte Membran Membran Magnetspule Aufgeprägte Spannung Eisenstab V Elektrisch gesteuerte Membran Ionen Membrantypen

16 Signalverarbeitung in einer Nervenzelle Signalverlauf am Axonhügel (Encoder)

17 geschlossen offen Depolarisation Repolarisation 2 bis 5 ms 1 bis 2 ms m-Gate h-Gate 1. Das spannungsabhängige m-Gate ist zu, das spannungs- unabhängige h-Gate ist offen. 2. Depolarisation führt zu einer Konformationsänderung des m-Gates. Na-Ionen strömen in die Zelle. 3. Die Aktivierung führt nach 1-2 ms zur Schließung des Inaktivierungstores (h-Gate). 4. Repolarisation führt zum Schließen des m-Gates. Beide Tore sind zu. 1. Die Konformationsänderung des m-Gates führt nach 2-5 ms (Refraktärzeit) zur Öffnung des h-Gates. Spannungsgesteuerter Na-Kanal mit 2 Toren

18 Mechanisches Modell für ein Transmitter gesteuertes postsynaptisches Ventil Transmittermolekül Acetylcholin Cholin Essigsäure Acetylcholin-Esterase Magnet N S

19 Wiederholung

20 Fortleitung eines Nervenimpulses - 70 mV - 45 Axon

21 Fortleitung eines Nervenimpulses

22 Zündschnur Dominosteine Analogien zur Impulsfortleitung in einer Nervenfaser

23 Die Größe der Synapse bestimmt die Zeitkonstante (für zeitliche Summation) Die Entfernung der Synapse vom Axonhügel bestimmt die Potenzialhöhe (für räumliche Summation) Evolutionsfähigkeit eines Neuronennetzwerkes

24 VZ1 U F VZ1 Synapse SomaEncoder Technischer Nachbau eines Neurons VZ1 U Spannungs-Frequenzwandler mit Schwellwertcharakteristik F VZ1-Glied (Linearspeicher) Gewichtung

25 Bionik-Neuron VZ1 U F F U Das Berliner Neuronenmodell

26 h (t0 )h (t0 ) lin. DGL v Mechanisches VZ1-Verhalten Elektrisches VZ1-Verhalten

27 = Refraktärzeit T R T R Rechenoperation mit einem Neuron Impulsvervielfachung - 50mV - 70mV fefe fafa n f e fafa.

28 Rechenoperation mit einem Neuron Impulsaddition - 50mV - 70mV fe1fe1 fe2fe2 fafa fe1fe1 fe2fe2 fafa +

29 Rechenoperation mit einem Neuron Impulsmultiplikation - 50mV - 70mV fe1fe1 fe2fe2 fafa fe1fe1 fe2fe2 fafa k.. Text

30 Impulsverarbeitung in einem Neuronalen Netz

31 H1 H3 H2 E Inhibitorischer Neuronenring Hemmung größer als Erregung ! Angenommen, H1 feuert. Dann wird H2 gehemmt. Damit fällt die Hemmung von H3 weg. H3 beginnt zu feuern und hemmt H1. Neuron H1 hört auf zu feuern usw.

32 H1 H3 H2 E Inhibitorischer Neuronenring Hemmung größer als Erregung ! Die Impulsfolge 2, 3, 4 läuft stabil entgegengesetzt der Verschaltungsrichtung im Neuronenring herum

33 Ende

34 Zur möglichen Multiplikationsoperation in einem Neuron: Die Frequenz f e 1 sei auf einem Oszilloskop zum Stehen gebracht (Triggerung). Die Impulse von f e 2 ziehen dann mit einer bestimmten Geschwindigkeit an der stehen- den Impulskette von f e 1 vorbei. Immer wenn die Impulse übereinander rutschen (Koinzidenz) entsteht am Axonhügel ein Ausgangsimpuls. Denn nur beide Impulse zusammen führen am Axonhügel zu einer summarischen Spannung > -50 mV. Wird nun die Frequenz f e 2 verdoppelt, entstehen doppelt so häufig Koinzidenzen. Die Ausgangsfrequenz f a verdoppelt sich. Wird anders herum z. B. f e 1 verdreifacht, ver- dreifacht sich auch die Zeit der Koinzidenz usw. Die Eingangsimpulsfrequenzen werden also miteinander multipliziert, wobei der Faktor k klein ist. Damit auch bei einem ganzzahligen Verhältnis der beiden Eingangsfrequenzen die Multiplikation funktioniert, müssen die Frequenzen leicht gestört sein.


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