Wie eine Nervenzelle funktioniert

Präsentation zum Thema: "Wie eine Nervenzelle funktioniert"—  Präsentation transkript:

1 Wie eine Nervenzelle funktioniert
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 „Feuernde“ Nervenzelle

4 Riechsinneszelle im Grubenkegel einer Wanderheuschrecke
Antwort auf einen Duftreiz 104 10 103 102 105 107 106

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

6 Impulsfrequenz-Kodierung am Ausgang einer Riechsinneszelle

7 Neuron - Biologische Bezeichnungen
Dendrit Synapse Soma Nucleus Axon Myelin Neuron Biologische Bezeichnungen

8 Das Gehirn besitzt ungefähr 100 000 000 000 Nervenzellen
Technik Rekord: 2 Milliarden Transistoren auf einem Chip Das Gehirn besitzt ungefähr Synapsen pro Nervenzelle

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

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

11 EPSP Transmitter Na+-Ionen Tore öffnen sich
Exzitatorisches Post-Synaptisches Potenzial

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

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

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

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

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

17 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). Zeitschalter 1. 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. Zeitschalter 2. 1 h-Gate 2 bis 5 ms 1 bis 2 ms 4 3 Repolarisation

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

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

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

21 Elektrisch gesteuerte Membran
Fortleitung eines Nervenimpulses

22 Analogien zur Impulsfortleitung in einer Nervenfaser
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 ! Signalverarbeitung in einer Nervenzelle

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 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

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

27 ~ ~ … v lin. DGL Berechnung der Abklingkurve h0 h (t )
VZ1 = Verzögerungsglied 1. Ordnung Berechnung der Abklingkurve heuristisch exakt ~ ~ lin. DGL … h0 h (t ) Elektrisches VZ1-Verhalten v Hydromechanisches VZ1-Verhalten

28 . fa = n fe Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron
VZ1-Verhalten -50mV -70mV T R fa Impulsvervielfachung T R = Refraktärzeit . fa = n fe Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron

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

30 . . fa = k fe1 fe2 Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron
-50mV -70mV fa Impulsmultiplikation . . fa = k fe1 fe2 sehr klein Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron Text

31 Impulsverarbeitung in einem Neuronalen Netz

32 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

33 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

34 Ende

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

36 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.