Versteckte Dynamik erkannt, die in neuronalen Netzwerken

Neuronale Netzwerke im Gehirn kann Informationen verarbeiten, besonders gut, wenn Sie nahe an einen kritischen Punkt—oder so Gehirn Forscher hatten angenommen, basierend auf theoretischen überlegungen. Jedoch experimentelle Untersuchungen der Hirnaktivität ergab viel weniger Indikatoren solcher kritischen Zustände, als erwartet. Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich und die RWTH Aachen haben nun vorgeschlagen, eine mögliche Erklärung. Sie zeigten, dass neuronale Netze können davon ausgehen, eine zweite, bisher unbekannte, kritische Modus, deren verborgene Dynamik sind fast unmöglich zu Messen, die mit herkömmlichen Methoden.

Die kritischen Punkte, bei denen komplexe Systeme abrupt Ihre Eigenschaften ändern, sind bekannte Konzepte in der Physik. Ferromagnetische Materialien sind ein Beispiel. Unterhalb der kritischen Temperatur, auch bekannt als die Curie-Temperatur, die Elektronen-spins des Materials so ausrichten, dass Sie alle in die gleiche Richtung zeigen. Die winzigen magnetischen Momente der einzelnen spins so fügt sich zusammen, die gemessen werden kann, von außen wie eine spontane Magnetisierung des Materials.

Sehr ähnliche Dynamik wurden bisher erkannt und die Messungen der Aktivität des Gehirns. Gehirn Signale sind ein typischer Fall, wo große Bereiche des Netzwerks werden gleichzeitig aktiv in einer Lawine-wie die Mode innerhalb einer sehr kurzen Zeit. Insgesamt jedoch ist das Phänomen tritt viel seltener als erwartet. Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich und die RWTH Aachen haben nun eine Lösung vorgestellt, die für diesen scheinbaren Widerspruch in der Fachzeitschrift PNAS. Sie zeigten, dass neuronale Netze aufweisen können, eine zweite, bisher unbekannte Art von Kritik.

Eine Analyse der simultanen Aktivität von 155 Nerven-Zellen zeigte, dass für diese zweite Art der Kritik, eine große Anzahl von Nervenzellen weisen auch koordiniert Verhalten. Allerdings, die Interaktion umfasst nicht nur die gleichzeitige Aktivierung sondern auch die gezielte Hemmung von großen Gruppen von Neuronen. Dieser neu entdeckte Kritikalität erlaubt, das Netzwerk zu stellen Signale dar, die in zahlreichen Kombinationen von aktivierten Neuronen, und daher—so die Forscher—die effiziente Verarbeitung von Informationen parallel.

Dies erklärt auch, warum keine plötzliche Zunahme in der Aktivität des Netzwerks erkannt werden kann von außen. Standard-Methoden wie EEG oder LFP im wesentlichen fügen Sie die Signale von vielen Neuronen zusammen. In dieser zweiten kritischen Zustand, doch die Zahl der aktiven Nervenzellen bleibt weitgehend konstant. Die heterogene Dynamik kann daher nicht erfasst werden mit diesen Methoden. Nur durch die Verwendung von hoch entwickelten mathematischen Methoden entlehnt aus der statistischen Physik konnten die Forscher unter der Leitung von Prof. Moritz Helias, stellen experimentell überprüfbaren Vorhersagen der Korrelationen zwischen den Nervenzellen.

Für die direkte experimentelle Nachweis der Netzwerk-Status Sie hatten vorhergesagt durch Theorie und simulation, der Forscher, arbeiten mit lead-Autor Dr. David Dahmen, zog Prof. Sonja Grün ist die expertise bei der Analyse der gemeinsamen Aktivität vieler Nervenzellen.

„Diese Studie hat einen weitreichenden Einfluss, dass Prof. Helias und seinem team gelungen, in der Anwendung der Feldtheorie, die eine sehr erfolgreiche Methode in der Physik, in den Neurowissenschaften. So können wir hoffen, weitere Einblicke in die Zukunft“, erklärt Institutsleiter Prof. Markus Diesmann (INM-6). Diesmann, spielt eine wichtige Rolle in der EU das Human Brain Project (HBP), eines der größten neurowissenschaftlichen Projekten weltweit, vereint die Arbeit von 500 Forscher in 19 EU-Mitgliedstaaten.