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

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

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 Technik Rekord: 2 Milliarden Transistoren auf einem Chip

9 Dendrit Soma Encoder Axon Chemisch gesteuerte Membran Elektrisch gesteuerte Membran + Synapse – Synapse Materieller 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 Tore öffnen sich

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

13 EPSP IPSP Zeitliche Form eines EPSPs und eines IPSPs VZ1-Verhalten

14 Soma Encoder Axon Dendrit PSP PSP > 50mV Stufen der Signalverarbeitung in einem Neuron

15 Membran Signalmolekül (Transmitter) Rezeptor V Ionen Chemisch gesteuerte Membran Membran Magnetspule Aufgeprägte Spannung Eisenstab V Elektrisch gesteuerte Membran Ionen Membrantypen Die aufgeprägte positive Spannung zieht den Stößel in die Spule hinein Axon Dendrit

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

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). Zeitschalter 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. Zeitschalter 2. Elektrisch gesteuerter Na-Kanal mit 2 Toren

18 Der Rezeptor stößt nach einer gegebene Zeitspanne das angedockte Molekül wieder ab. Rezeptor Zur Erinnerung !

19 Wiederholung oder ein EPSP ? -70mV -50mV chemisch ! Reiz elektrisch

20 Fortleitung eines Nervenimpulses - 70 mV - 45 Axon Elektrisch gesteuerte Membran Depolarisierung

21 Elektrisch gesteuerte Membran Fortleitung eines Nervenimpulses

22 Zündschnur Dominosteine Analogien zur Impulsfortleitung in einer Nervenfaser

23 Signalverarbeitung in einer Nervenzelle Signalverlauf am Axonhügel (Encoder) Das Verhalten des Axonhügels wird durch eine elektrisch gesteuerte Membran bestimmt !

24 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

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

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

27 h (t )h (t ) lin. DGL v Hydromechanisches VZ1-Verhalten Elektrisches VZ1-Verhalten Berechnung der Abklingkurve ~ ~ … h0h0 heuristisch exakt VZ1 = Verzögerungsglied 1. Ordnung

28 = Refraktärzeit T R T R Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron Impulsvervielfachung - 50mV - 70mV fefe fafa n f e fafa. VZ1-Verhalten

29 Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron Impulsaddition - 50mV - 70mV fe1fe1 fe2fe2 fafa fe1fe1 fe2fe2 fafa + 2 fe12 fe1 3 fe23 fe2 fafa + Möglich durch richtige Einstellung der Dendritenlänge und der Synapsengröße Wenn zwei Impulse zu gleichen Zeit erscheinen werden sie durch richtige Einstellung der Neurovariablen wieder zu zwei Impulsen getrennt !!!

30 Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron Impulsmultiplikation - 50mV - 70mV fe1fe1 fe2fe2 fafa fe1fe1 fe2fe2 fafa k.. Text sehr klein

31 Impulsverarbeitung in einem Neuronalen Netz

32 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.

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

34 Ende

35 Zum Praktikum der Vorlesung Bionik II Vorschläge für Hausaufgaben: 1.Neuste Entwicklungen auf dem Gebiet des DNA-Computing 2.Vorschläge für besonders exotische Biosensoren 3.Beispiele für die Anwendung Neuronaler Netze heute 4.Konstruktion verschachtelter Neuronenringe (Computersimulation) 5.Belehren einfacher Neuronaler Netze mit der Evolutionsstrategie 6.Suche nach einem Katalysator, der einen Katalysator synthetisiert 7.…

36 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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