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

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

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

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

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)

Das Gehirn / Nervenzellverbände Zeichnung von S. Ramón y Cajal

Nervenzellen (Neuronen) Dendriten Zellkörper Nerven- faser Synapse

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

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

Arbeitsprogramm Zusammenhänge zwischen Hirnaktivität und Wahrnehmung, Handlungen und inneren Zuständen

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

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

Beispiel: Armbewegungen

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

Risiken: Militärische Anwendungen DARPA

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

„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

„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)

Kakerlake mit Implantat 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

Teil II: Mathematische Aspekte

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

Wahrscheinlichkeitsrechnung (Kl. 12) 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 a 3. Schätzung des Reizes a

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

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

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

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

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

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

Projekt in Klasse 12 Besuch zweier Uni-Institute: Institut für Institut für T‘heoretische Physik Hirnforschung

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

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

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 02543 Connectionist List, 30.6.2005