Ingo Rechenberg

1. 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. Aktionspotentiale „Feuernde“ Nervenzelle

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

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

6. Impulsfrequenz-Kodierung am Ausgang einer Riechsinneszelle

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

8. Das Gehirn besitzt ungefähr 100000000000 Nervenzellen Technik Rekord: 2 Milliarden Transistoren auf einem Chip Das Gehirn besitzt ungefähr 10000 Synapsen pro Nervenzelle

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

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

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

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

13. EPSP IPSP ≈ 10 ms Zeitliche Form eines EPSPs und eines IPSPs

14. PSP>50mV Axon PSP Soma Encoder Dendrit

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

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

17. 2 4 3 offen geschlossen m-Gate Elektrisch gesteuerter Na-Kanal mit 2 Toren 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 1bis 2 ms 2bis 5 ms Repolarisation

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

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

20. Elektrisch gesteuerte Membran Fortleitung eines Nervenimpulses

21. Zündschnur Dominosteine Analogien zur Impulsfortleitung in einer Nervenfaser

22. Signalverlauf am Axonhügel (Encoder) Das Verhalten des Axonhügels wird durch eine elektrisch gesteuerte Membran bestimmt! Signalverarbeitung in einer Nervenzelle

23. 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

24. VZ1 U S Synapse F Synapse VZ1 Spannungs-Frequenzwandler mit Schwellwertcharakteristik F VZ1 Soma Encoder Gewichtung VZ1-Glied (Kurzzeitspeicher) U Technischer Nachbau eines Neurons

25. VZ1 VZ1 U  F VZ1 F Bionik-Neuron U Das Berliner Neuronenmodell

26. lin. DGL Elektrisches VZ1-Verhalten Berechnung der Abklingkurve ~ ~ h(t0) v Hydromechanisches VZ1-Verhalten

27. T T R R fe -50mV -70mV fa Impulsvervielfachung = Refraktärzeit . fa nfe = Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron

28. fe1 fe2 -50mV -70mV fa Impulsaddition fa fe1 fe2 = + fa Möglich durch richtige Einstellung der Dendritenlänge und der Synapsengröße 2fe1 3fe2 = + Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron

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

30. Impulsverarbeitung in einem Neuronalen Netz

31. 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

32. Die Impulsfolge 2, 3, 4 läuft stabil entgegengesetzt der Verschaltungsrichtung im Neuronenring herum H1 H2 E H3 Hemmung größer als Erregung ! Inhibitorischer Neuronenring

33. Ende www.bionik.tu-berlin.de

34. 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.