Wie eine Nervenzelle funktioniert Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 6. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik, Bioinformatik“ Wie eine Nervenzelle funktioniert Konstruktion eines künstlichen Neurons Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
Künstler-Vision einer Nervenzelle
„Feuernde“ Nervenzelle Aktionspotentiale „Feuernde“ Nervenzelle
Riechsinneszelle im Grubenkegel einer Wanderheuschrecke Antwort auf einen Duftreiz 104 10 103 102 105 107 106
! Reizstärke Impulshöhen-Kodierung ? Impulsbreiten-Kodierung ? Impulsfrequenz-Kodierung ! ?
Impulsfrequenz-Kodierung am Ausgang einer Riechsinneszelle
Neuron - Biologische Bezeichnungen Dendrit Synapse Soma Nucleus Axon Myelin Neuron - Biologische Bezeichnungen
Das Gehirn besitzt ungefähr 100 000 000 000 Nervenzellen Das Gehirn besitzt ungefähr 10 000 Synapsen pro Nervenzelle
Aufbau einer Nervenzelle Synaptische Bläschen Elektrisch gesteuerte Membran Axon – Synapse Soma Encoder Dendrit Chemisch gesteuerte Membran Synaptische Bläschen + Synapse Aufbau einer Nervenzelle
Axon Transmitter Synapse Synaptische Bläschen Präsynaptisches Gitter Synaptischer Spalt Postsynaptische Membran Ionen -Tor
Transmitter Na+-Ionen EPSP Exzitatorisches Post-Synaptisches Potenzial
Transmitter K+-Ionen IPSP Inhibitorisches Post-Synaptisches Potenzial
Zeitliche Form eines EPSPs und eines IPSPs ≈ 10 ms Zeitliche Form eines EPSPs und eines IPSPs
PSP > 50mV Axon PSP Soma Encoder Dendrit
Membrantypen V V Elektrisch gesteuerte Membran Magnetspule Aufgeprägte Spannung Eisenstab V Elektrisch gesteuerte Membran Ionen Membran Signalmolekül (Transmitter) Rezeptor V Ionen Chemisch gesteuerte Membran Die aufgeprägte positive Spannung zieht den Stößel in die Spule hinein
Transmittermolekül Acetylcholin Magnet Mechanisches Modell für ein Transmitter gesteuertes postsynaptisches Ventil Essigsäure Acetylcholin-Esterase Cholin
Elektrisch gesteuerter Na-Kanal mit 2 Toren geschlossen offen m-Gate Elektrisch gesteuerter Na-Kanal mit 2 Toren 2 Depolarisation 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. 1 h-Gate 2 bis 5 ms 1 bis 2 ms 4 3 Repolarisation
oder ein EPSP ? Reiz elektrisch chemisch ! -70mV→ -50mV Wiederholung
Elektrisch gesteuerte Membran Depolarisierung Axon -45 -70 mV Fortleitung eines Nervenimpulses
Elektrisch gesteuerte Membran Fortleitung eines Nervenimpulses
Analogien zur Impulsfortleitung in einer Nervenfaser Zündschnur Dominosteine Analogien zur Impulsfortleitung in einer Nervenfaser
Signalverarbeitung in einer Nervenzelle Signalverlauf am Axonhügel (Encoder) Das Verhalten des Axonhügels wird durch eine elektrisch gesteuerte Membran bestimmt ! Signalverarbeitung in einer Nervenzelle
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
S VZ1 U F VZ1 VZ1 Technischer Nachbau eines Neurons F U Synapse Soma Encoder Gewichtung Synapse VZ1 Spannungs-Frequenzwandler mit Schwellwertcharakteristik F VZ1-Glied (Kurzzeitspeicher) U VZ1 Technischer Nachbau eines Neurons
VZ1 VZ1 U F VZ1 F Bionik-Neuron U Das Berliner Neuronenmodell
v lin. DGL Berechnung der Abklingkurve h (t0 ) Elektrisches VZ1-Verhalten v Hydromechanisches VZ1-Verhalten
. fa = n fe Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron -50mV -70mV T R fa Impulsvervielfachung T R = Refraktärzeit . fa = n fe Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron
Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron fe1 fe2 -50mV -70mV fa Impulsaddition fa = fe1 + fe2 Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron
. . fa = k fe1 fe2 Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron -50mV -70mV fa Impulsmultiplikation . . fa = k fe1 fe2 Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron Text
Impulsverarbeitung in einem Neuronalen Netz
Inhibitorischer Neuronenring 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. H1 H2 E H3 Hemmung größer als Erregung ! Inhibitorischer Neuronenring
Inhibitorischer Neuronenring Die Impulsfolge 2, 3, 4 läuft stabil entgegengesetzt der Verschaltungsrichtung im Neuronenring herum H1 H2 E H3 Hemmung größer als Erregung ! Inhibitorischer Neuronenring
Ende www.bionik.tu-berlin.de
Zur möglichen Multiplikationsoperation in einem Neuron: Die Frequenz fe1 sei auf einem Oszilloskop zum Stehen gebracht (Triggerung). Die Impulse von fe2 ziehen dann mit einer bestimmten Geschwindigkeit an der stehen-den Impulskette von fe1 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 fe2 verdoppelt, entstehen doppelt so häufig Koinzidenzen. Die Ausgangsfrequenz fa verdoppelt sich. Wird anders herum z. B. fe1 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.