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Von Neuronen zu Netzwerken

Wie gelingt es Nervenzellen im menschlichen Gehirn, Arme und Beine zu steuern? Stefan Rotter, Professor für Computational Neuroscience an der Universität Freiburg, entwickelt mathematische Gehirnmodelle und Computersimulationen, um diese Frage zu beantworten. So versucht er zum Beispiel nachzuvollziehen, wie Menschen moderne, ans Gehirn gekoppelte Prothesen wie körpereigene Gliedmaßen bewegen können.

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Obwohl Forschende das Nervenssystems immer besser verstehen, stellen Netzwerke aus Milliarden von Neuronen die Neurobiologie vor eine schwierige Aufgabe: die Aktivität eines Gehirns möglichst vollständig zu erfassen und seine Funktion im Detail zu verstehen. Das neue Forschungsfeld Computational Neuroscience, Theoretische Neurowissenschaften, setzt an diesem Punkt an: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler versuchen, die Vorgänge in einzelnen Nervenzellen und die Kommunikation zwischen Neuronen in der Form abstrakter Gleichungen oder in Computerprogrammen nachzuzeichnen. Rotter und sein Team wollen dadurch die biologischen Prozesse charakterisieren, die ablaufen, wenn Neuronen im Gehirn auf eintreffende Signale reagieren und diese im Netzwerk weitergeben.

 

  • Dynamische Netzwerke: Veränderungen durch Krankheiten

Darüber hinaus wollen die Forschenden mit mathematischen Formeln das Verhalten von Netzwerken als dynamische Systeme beschreiben. Das schließt wachsende, alternde und sich zum Beispiel durch Krankheiten verändernde Netzwerke mit ein. Wenn die strukturellen Grundprinzipien eines Gehirns formal beschrieben sind, kann auch ein Computer damit umgehen und beispielsweise ein großes virtuelles Netzwerk von Nervenzellen simulieren, das die Bewegung eines Arms oder einer Hand steuert. Dies erlaubt es den Wissenschaftlern, Veränderungen zu ergründen, die in biologischen Gehirnen nur unter größten Schwierigkeiten messbar sind. Im Computer kann, anders als bei der Forschung an echtem Gehirngewebe, jedes Merkmal des Netzwerks variiert werden. So ist es möglich, die daraus resultierende Veränderung in der Aktivität des virtuellen Gehirns zu untersuchen.

 

  • Forschungsziel: Prothesen mit Gedanken steuern

Im Laufe der Evolution gelang es dem Gehirn, sich an die Veränderungen im Körperbau des Menschen – wie den aufrechten Gang – anzupassen und diese in seine Funktion zu integrieren. Dieser Prozess, dass sich das Gehirn stetig erweitert und verändert, finde im Laufe des Lebens ständig statt, erklärt Rotter, zum Beispiel wenn eine Person lerne, zu tanzen oder ein Musikinstrument zu spielen. In Zusammenarbeit zum Beispiel mit Forschenden aus der Robotik wollen Rotter und seine Kolleginnen und Kollegen aus den Neurowissenschaften mit Hilfe mathematischer Modelle beschreiben und erklären, wie es dem Gehirn gelingt, neue Fähigkeiten zu erwerben und dauerhaft abzuspeichern. Diese Erkenntnisse sollen dazu beitragen, dass Menschen mit Körperprothesen in Zukunft ihre künstlichen Gliedmaßen genau wie die eigenen willkürlich steuern können, durch Übersetzung von "Gedanken" in elektrische Steuersignale. Doch nicht nur die Prothese soll Signale vom Gehirn empfangen, sondern sie soll auch sensorische Signale zurücksenden, die wiederum vom Gehirn verarbeitet und für die Feinsteuerung der Prothese verwendet werden. Durch diese Forschung können die Freiburger Forscher Menschen mit künstlichen Gliedmaßen in Zukunft den Alltag erleichtern.

Die Druckversion dieses Textes (pdf) finden Sie hier.

 

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Prof. Dr. Stefan Rotter

Stefan Rotter studierte Mathematik und Physik in Regensburg, Boston und Hamburg. Er promovierte 1994 am Max-Planck-Institut in Tübingen über die mathematische Modellierung von Neuronen und Netzwerken der Großhirnrinde. Seit 2008 ist er Professor für Computational Neuroscience in der Fakultät für Biologie und am Bernstein Center Freiburg.

 

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