Teamgeist
In Biologieunterricht hab ich gelernt: Neuronen feuern und übermitteln Informationen, indem sie das schneller oder langsamer tun. Piekst mich jemand mit der Stecknadel, macht die Zelle pip----pip--pip------pip ("niedrige Feuerrate"), piekst mich jemand mit Hammer und Nagel macht es pipipipipipipipipip ("hohe Feuerrate"). Mit diesem "Temporal Rate Coding"-Modell gibt man sich als Schüler gern zufrieden. Aber ohne viel über das Gehirn zu wissen, wird doch ziemlich schnell klar, dass das nicht die ganze Wahrheit sein kann. Ein klassisches Experiment: Zeigt man Menschen eine Reihe von Bildern, von denen manche Tiere enthalten, dann können die Probanden schon nach gut 150-200 Millisekunden (mit 90 Prozent Sicherheit!) entscheiden, ob da etwas Tierisches zu sehen war oder nicht.
Ein durchschnittliches Neuron feuert etwa ein Spike in 20 Millisekunden. Seien wir ganz konservativ und sagen, nur vier Ebenen von Neuronen sind nacheinander mit der Aufgabe beschäftigt, das Bild zu analysieren: erst einfache Kanten und Muster, dann komplexere Formen und Oberflächen, schließlich Objekte und Hintergrund, schließlich die Klassifikation der Objekte nach Lebewesen. Dann hätte jede einzelne Zelle im besten Falle gerade Zeit für gerade einmal 2 Spikes.
Zusätzlich brauchen nachfolgende Neuronen immer zusätzliche Zeit, um selbst einen Spike zu erzeugen. Dann bleibt vielleicht noch ein Spike pro Neuron, in dem sich die nötige Information über das Bild verstecken soll, auf der dann später die Entscheidung "Tier/kein Tier" beruht. Hinzu kommt, dass Neuronen nicht gerade besonders zuverlässig sind, was das Feuern angeht, Spikes kurzerhand auch mal vergessen werden. Das kann einfach nicht funktionieren.
(Wie wir die Aufgabe überhaupt so gut lösen können, ist noch viel rätselhafter. Selbst die besten Computerprogramme machen deutlich mehr Fehler, selbst wenn man sie stundenlang arbeiten lässt. Technisch ist die Problem im Wesentlichen ungelöst. Wie gut wir die Vorgänge im Gehirn verstanden haben, lässt sich leicht daran messen, wie gut wir sie imitieren können. Die Erfolge der "künstlichen Intelligenz" sind bislang eher bescheiden – unsere Roboter können nicht einmal [relativ] simplen Insekten etwas vormachen.)
Und jetzt? Womöglich übertragen (zumindest manche) Neuronen allein gar keine Informationen. Sinnvolle Daten ergeben sich aus dem Feuern erst, wenn wir die Aktivität mehrerer Zellen gleichzeitig betrachten ("Population Rate Coding"). Die Idee ist natürlich nicht neu. Schon 1949 findet sie sich bei dem kanadischen Psychologen Donald Hebb: Er schlug "cell assemblies" vor, eng zusammenhängenden Netzen aus einigen Tausend Zellen, die gemeinsam aktiv werden. (Von ihm stammt auch die Idee des Hebb'schen Lernens, ein genialer und bis heute sehr einflussreicher Vorschlag. Oft wird übersehen, wie die Psychologie die Neurowissenschaft durch solche richtungsweisende Gedanken geprägt hat.)
Um Informationen aus dem Feuern zu extrahieren, schaut man also nicht, wie oft ein einzelnes Neuron in einem mehr oder minder langen Zeitraum feuert, sondern man betrachtet ein ganze Ensemble auf einmal. So ließen sich Informationen deutlich schneller und zuverlässiger übertragen.
Für Experimentatoren ist das keine gute Nachricht. In der Elektrophysiologie sind die Forscher schon froh, wenn sie die Aktivität einer einzelnen Zelle sauber ableiten können. Mehrere zugleich zuverlässig zu messen ist ungleich schwieriger – wenn es auch schon gelingt. Etwa mit "multi-electrode arrays", einer gitterförmigen Anordnung mehrerer Hunderter Elektroden. In München untersucht zum Beispiel Günther Zeck damit die Nervenaktivität auf der Netzhaut.
Diese Techniken sind noch vergleichsweise neu, mit ihnen geht es schon in die rechte Richtung. Sogleich tut sich aber die sehr schwere Frage auf, wie sich genau die Zellen finden lassen, deren gemeinsame Aktivität die Nachricht übermittelt. Wahrscheinlich gehört auch nicht jede Zelle einer festen Gruppe an, sondern je nach Hirnzustand und Aufgabenstellung mischt sie mal hier, mal da mit. Schon die Daten zu sammeln, bereitet also enorme Schwierigkeiten. Einmal abgesehen von technischen Schwierigkeiten – wir wissen nur sehr vage, wonach wir suchen: wie viele Zellen arbeiten zusammen, wie genau sind sie miteinander koordiniert?
Experimentelle Daten sammeln ist dabei nur das eine. Anschließend kommt das Auswerten – auch da stochert die Forschung noch im dichten nächtlichen Nebel. Das führt jetzt aber zu weit, der Text ist eh schon wieder viel zu lang. Ich muss auf den nächsten vertrösten...
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außer ein großes Kompliment für die schöne feinsinnige und gut verständlichen Analyse über die beschränkten Möglichkeiten der neurowissenschaftlichen Forschung....
Wenn ich darf würde ich Ihre Analyse gerne 1:1 auf meiner Webseite unter der Rubrik Forschung "Grenzen" mit Hinweis auf Ihre Autorenschaft veröffentlichen.
...gern dürfen Sie das. Der Vollständigkeit halber sollte ich noch erwähnen, dass der Text in Teilen von Wulfram Gerstners "How can the brain be so fast?" (in "23 Problems in Systems Neuroscience"; van Hemmen, Sejnowski; Oxford University Press. 2005) inspiriert ist, Das Buch im Ganzen kann ich leider nicht empfehlen.
Die Vorstellung, dass Neurone "piep" machen, stimmt mich heiter. Nein: eher nachdenklich.
Stimmt ja schon: auch ich sass im Biostudium im Labor und hörte die Neurone im Verstärker knattern. Aus Kostengründen war's übrigens ein altes Kofferradio, aus dessen Lautsprecher das Neuronengeknatter drang.
Nur steckt eben schon in diesem "Piep" oder im hochfrequenten Knattern der Aktionspotentiale die ganze "explanatory gap" in nuce. Neurone piepen nicht, sie knattern nicht, sie malen keine Spikes auf Oszillographenschirme und sie berechnen keine Summenaktionspotentiale. Sie schieben bestenfalls irgendwelche Ladungen hin und her, ohne jedoch eine Vorstellung davon zu haben, was eine Ladung ist und wofür ihre Verschiebung steht.
Die Neurone sind stumm. Bei UNS piepts...
Leider habe ich von Ihnen keine priv. Emailadresse . Beim letzten Update habe ich Ihren Text aufgenommen:
http://www.neuropaedagogik.de/html/grenzen_.html
Nochmals vielen Dank.
Wissen ist das eine. Verständnis ist etwas anderes. Verständnis ist vernetztes, verknüpftes Wissen. Newton hat nach der Beobachtung eines fallenden Apfels vom Baum und seinen Beobachtungen der Himmelskörper die Gravitation eingeführt und damit ein neues Weltbild geschaffen. Niels Bohr hat nie ein Atom selbst gesehen, trotzdem liefert uns das Bohrsche Atommodel, das jeder vom Chemieunterricht kennt ein besseres Bild unserer Welt. Einstein hat seine Erkenntnisse durch Sammeln universellen Wissens und exakte logische Schlussfolgerungen gewonnen. Den reduktionistischen Forschungsarbeiten von Erik Kandel ist es zu verdanken, dass wir heute ein sehr viel besseres Verständnis über lernen haben als früher.
Unser Gehirn ist ein vektorisierte Approximationsmatrixrechenmaschinen. Wir wissen schon sehr genau wie vieles funktioniert. Die Gehirnforschung ist die spandendste Entdeckungsreise der JetztZeit. Es vergeht kein Tag an dem nicht neue Erkenntnisse veröffentlicht werden. Ich kann Ihnen nur empfehlen interessieren Sie sich universell. Verständnis entsteht erst aus der Kombination der Fächerübergreifenden Bildung. Wer die Neurobiologie ignoriert wird nicht derjenige sein der in der Psychologie und Philosophie große neue Erkenntnisse gewinnen wird und umgekehrt.
Das ganze auf das Alltagsleben herunterreduziert finden Sie hier:
www.dpast.de
Dieter Past
""Wir wissen schon sehr genau wie vieles funktioniert.""
Es wäre schön, wenn dies zuträfe. Tatsache ist, dass berichtete "Ergebnisse" und ihre "Interpretationen" oft nicht mit logische Grundsätzen zu vereinbaren sind.
Was vielfach eben nicht stattfindet, sondern nur "proklamiert" wird, sind ""exakte logische Schlussfolgerungen"".
"Den reduktionistischen Forschungsarbeiten von Erik Kandel ist es zu verdanken, dass wir heute ein sehr viel besseres Verständnis über lernen haben als früher."
Ja, aber Kandel hat damit "nur" die physiologischen Bestätigungen über konditionierte Lernvorgänge bei einer Schnecke gefunden, welche Jahrzehnte zuvor über Forschungen der Psychologie beim Menschen herausgefunden wurden. Wer sich die Mühe macht, neurowissenschaftliche "Erkenntnisse" zum Thema "Lernen" mit dem Wissen der Kognitiven Psychologie zu vergleichen, stellt fest, dass größtenteils ebenfalls "nur" physiologische Korrelate gefunden wurden....Außerdem gehen die Erkenntnisse der Neurowissenschaften längst über das hinaus, was Kandel festgestellt hat.
""Wer die Neurobiologie ignoriert wird nicht derjenige sein der in der Psychologie und Philosophie große neue Erkenntnisse gewinnen wird und umgekehrt.""
Allerdings sollte man sich darüber im Klaren sein, dass die Erforschung höherer kognitiver Funktionen - angesichts der beschränkten methodischen Untersuchungsmöglichkeiten der Neurobiologie - bislang nicht zufriedenstellend möglich ist und daher die neurowissenschaftlichen Erkenntnismöglichkeiten auch nicht überschätzt werden sollten.
Insofern erlaube ich mir, Ihre Feststellung dahingehend zu ändern:
Wer die Grenzen neurobiologischer Forschung ignoriert und die bisherigen Forschungsergebnisse der Psychologie nicht beachtet, wird kaum die tatsächlichen Möglichkeiten, aber auch nicht deren Begrenzungen erfassen können.
Sie haben natürlich recht, das "Pip" ist nur repräsentativ gemeint, Neurone machen keine Geräusche, jedenfalls keine die wir hören könnten. Aber wie soll man die Arbeit von Neuronen sonst veranschaulichen. Leider haben wir keine Worte um elektrische Spannungen und Ströme zu beschreiben, wie etwa hell und dunkel für Lichtwellen. Was wohl daran liegt, dass wir erstere nicht direkt wahrnehmen können.
Besäßen wir aber die entsprechenden Sinnesorgane, so wie manche Fische, könnten wir direkt fühlen, was Neurone so treiben – und hätten dann sicher auch Worte dafür, solche wie "Pip".
Auf welches "explanatory gap" genau spielen sie an?
Welches "gap", welche Lücke?
Na die, die erkärungs- und empfindungsmässig zwischen dem Erleben einer Sache und ihrer neuronalen Repäsentation klafft.
...das klassische "gap" also:
wie kann aus elektrischen impulsen/neuronen-knattern so etwas wie, "ich sehe rot" entstehen?
diese frage wird wahrscheinlich solang unbeantwortbar bleiben, wie wir davon überzeugt sind, dass für empfindungen tatsächlich die neuronen allein verantwortlich sind. aber wieso sind wir uns dessen so sicher? ich halte das für reduktionismus. ich glaube nicht, dass das "brain in the vat", also gehirn im reagenzglas, irgendetwas fühlt. zumindest nichts, was unserem fühlen ähnlich ist.