Wie lange braucht es bis ein
Gedanke entsteht und was hat das Ganze mit dem Liebesleben der Glühwürmchen zu tun?

Unser Gehirn besteht aus einer Vielzahl von Neuronen. Diese Neuronen verarbeiten alle Informationen, die in das Gehirn gelangen. Im Gehirn sind unterschiedliche Bereiche für unterschiedliche Aufgaben zuständig. So ist der Bereich der Großhirnrinde beim Hinterkopf für das Sehen zuständig, der Bereich unter den Schläfen für die Erinnerung und der Bereich hinter der Stirn für das Planen und die Strategie. Überall funktioniert das Gehirn aber nach den gleichen Prinzipien: Es werden Muster erkannt und vervollständigt. Alles was wir denken sind Muster, genauso sind auch Handlungen Muster (Handlungsmuster).

Damit stellt sich nun die Frage, wie denn Signale oder Muster im Gehirn gespeichert werden. In den 60er Jahren hatte Barlow hierzu den Begriff der Großmutterzelle geprägt. Eine Zelle, die genau dann feuert, wenn eine Großmutter in das visuelle Aufmerksamkeitszentrum trifft. Diese Idee klingt nicht schlecht. Bedenkt man die große Zahl der Neuronen, so wäre es durchaus möglich, dass jedes Muster in einem Neuron gespeichert wird. Aber es zeigte sich, dass die immense Zahl von Neuronen des menschlichen Gehirns nicht ausreicht, um für alle relevanten Kombinationen von Reizeigenschaften, die sich für natürliche Objekte ergeben, ein eigenes Neuron zur Verfügung zu stellen. Es kommt zu einer kombinatorischen Explosion der Neuronenanzahl, wenn man alle möglichen Reize betrachtet, die gespeichert werden sollen. Was passiert wenn sich ein gespeicherter Reiz verändert? So könnte sich die Haarfarbe meiner Großmutter verändern - wie könnte sich dieses Neuron anpassen? Es stellt sich auch die Frage nach dem Vorrat für neue Informationen. Wenn alle Neuronen verbraucht sind, könnte man nichts Neues mehr lernen - somit müssten Neuronen reserviert werden für mögliche neue Reizkombinationen. Umgekehrt könnte man die Großmutter nicht mehr erkennen, wenn genau dieses Neuron stirbt (jeden Tag sterben ein paar Hundert Neuronen !).

Rosenblatt konstruierte die Bindungsmaschine um die Probleme mit der lokalen Repräsentation zu verdeutlichen. Vier Neuronen detektieren unterschiedliche Eigenschaften von Mustern, die auf eine Leinwand projiziert werden. Die ersten beiden reagieren auf den Ort des Musters (oben oder unten), die anderen beiden auf dessen Form (Quadrat oder Dreieck). Tritt nun ein Muster auf (untere Graphik, oben), so kann anhand des Aktivitätsmusters die Situation auf der Leinwand eindeutig dargestellt werden. Werden zwei Muster gleichzeitig auf der Leinwand dargestellt (untere Graphik, unten), so lassen sich Ort und Form nicht mehr eindeutig zuordnen - die Maschine ist mit dem Bindungsproblem beschäftigt. Sie versagt bei diesem einfachen Problem.

Natürlich könnten man nun zusätzlich Neuronen für die genauere Mustererkennung verwenden. Man braucht dann 9 verschiedene Neuronen, die auf alle möglichen Reizkombinationen reagieren:

Neun Neuronen für ein so einfaches Problem sind doch schon relativ viele. Betrachten wir ein reales Problem, so ergeben sich millionenfach mehr Neuronen. Also bedarf es einer anderen Lösung. Diese fand Christoph von der Malsburg, indem er eine neue Dimension einführte: die Zeit:

Durch Einführung einer zeitlichen Struktur können verschiedene geometrische Muster von Neuronen "gleichzeitig" in der selben Gruppe von Neuronen (Assemble) dargestellt werden. Bindung wird also über die zeitliche Korrelation neuronaler Antworten dargestellt. Die Neuronen die gleichzeitig aktiv sind, stellen ein Objekt oder einen "Gedanken" dar. Objekte, über die wir nachdenkne können, haben Eigenschaften und unterschiedliche Objekte haben unterschiedliche eigenschaften. Wenn die richtigen Eigenschaften aktiv sind, dann "denken" wir an das jeweilige Objekt.

Gehen wir von einem einfachen Modell aus. Die Neuronen der 1. Schicht stellt die Eingabeschicht dar - im Prinzip handelt es sich um sensorische Neuronen, die einzelne Reize detektieren. Die Neuronen der 2. Schicht verarbeiten die Reize - dort kommt es zur eigentlichen Synchronisation. Darunter versteht man die Mustervervollständigung. Die 3. Schicht erhält von allen Neuronen der vorhergehenden Schicht Informationen. Sie zieht die Schlüsse und fällt die Entscheidung, welches Muster erkannt wurde. Wir interessieren uns für die Schicht 2 - trotzdem können Synchronisationen in den beiden anderen Schichten auch auftreten. So synchronisieren sich die Ganglienzellen in der Retina. Natürlich gibt es nicht nur eine verarbeitende Schicht (Schicht 2) im menschlichen Gehirn, sondern es sind bedeutend mehr. Dies hängt vor allem davon ab, welche Entscheidung in welchem Gehirngebiet gefällt werden muss.

Dieses einfache Modell ist biologische relevant: Die Neuronen bekommen von der vorhergehenden Schicht über die Synapsen Signale - aber es sind auch die Neuronen in einer Schicht untereinander verknüpft. Über diese Verknüpfungen können auch Signale zwischen Neuronen der selben Schicht ausgetauscht werden. Jedes Neuron erhält von rund 1000-10000 Neuronen Eingangssignale über die Synapsen (den Verbindungen zwischen den einzelnen Neuronen) und gibt auch an rund 1000-10000 Neuronen die Signale weiter. Eine Gruppe von Neuronen einer Schicht, die stark miteinander verknüpft sind, stellen ein Assemble dar.

In einem Assemble können mehrere Informationen "gleichzeitig" verarbeitet werden. Die Kreise in obiger Abbildung symbolisieren verschiedene Neuronen eines Assembles der verarbeitenden Schicht (Schicht 2). Jedes Neuron ist mit jedem Neuron der selben Schicht verbunden. Durch die unterschiedlichen Eingangsmuster werden verschiedene Neuronen im Assemble aktiviert - man spricht von einem Aktivierungsmuster. Das Muster repräsentiert die geometrische Verteilung der aktiven Neuronen. Die drei Neuronen unter der Körpergröße repräsentieren die Körpergröße: das oberste bedeutet groß, das mittlere steht für mittlere Körpergröße und das untere Neuron steht für eine eher kleine Köprergröße. Ebenso sind die Detaileigenschaften für die Haarfarbe und das Körpergewicht in den Kreisen - den Neuronen - eingezeichnet.
Würde dieses Netzwerk mich sehen, so wären folgende Neuronen (blau markiert) aktiv:

Körpergröße: mittel
Haarfarbe: braun
Körpergewicht: schwer

Die Neuronen werden gleichzeitig aktiviert, da ja auch die Reize gleichzeitig zu allen Neuronen kommen. Aber nur die Neuronen, welche die richtige Eigenschaft repräsentieren, werden aktiv. Sie geben elektrische Signale an die nächste Schicht ab und sie geben auch elektrische Signale an die Neuronen der eigenen Schicht ab. Das führt dazu, dass die gleichzeitig aktivierten Neuronen ihre Verbindungen (an den Synapsen) verstärken.
Würde das Netzwerk eine andere Person sehen, so würden andere Neuronen (grün markiert) aktiviert:

Körpergröße: groß
Haarfarbe: blond
Körpergewicht: leicht

Jede Person kann als unterschiedlches Muster an aktivien Neuronen dargestellt werden. Interessanterweise können die gleichen Neuronen bei unterschiedlichen Mustern, sprich Personen, beteiligt sein.

Die Assemble-Codierung hat folgende Vorteile: Robustheit und sparsamer Umgang mit den vorhandenen Neuronen. Dadurch, daß einzelne Neuronen an mehreren Mustern beteiligt sind, ergibt sich eine hohe Sparsamkeit der vorhandenen Ressourcen.

Es gibt aber noch andere Vorteile. Vergessen wir nicht, dass die Neuronen nicht nur in die nächste Schicht elektrische Signale abgeben, sondern auch an die Neuronen in der eigenen Schicht. Dadurch kommt es zu einer Verstärkung. Was würde das Netzwerk beobachten, wenn mich das Netzwerk sieht, ich aber einen Hut trage. Dann kann das Netzwerk meine Haarfarbe nicht erkennen. Und jetzt kommt das tolle: Das Netzwerk kann aufgrund der vorherigen Verstärkung der Verbindungen das fehlende Neuron dazusynchronisieren. Das Bild, welches das Netzwerk von mir hat wird vervollständigt.

Die Bindung von Objektmerkmalen erfolgt durch zeitliche Korrelationen zwischen den neuronalen Antworten. Im hier gezeigten Fall - durch schwarze und graue Kreise angedeutet - würden die beiden Personen durch jeweils ein unterschiedliches neuronales Assemble dargestellt. Die grauen Kreise stellen unkorrelierte Neuronen dar. Natürlich ist dies ein theoretisches Beispiel, da die Retina über komplexere Zellen (Ganglienzellen mit ON/OFF-Zentren, Farbbereiche usw.) verfügt.

Zusammenfassend kann man sagen, dass Neuronen, die gleichzeitig feuern, ein Muster darstellen. Jedes Muster repräsentiert einen Gedanken (Bild, Wort, Objekt oder auch Handlungen) im Gehirn. In Abhängigkeit der Größe des Gebietes der Großhirnrinde in dem ein solches Muster entsteht, braucht es rund 20-50 ms bis sich die Neuronen synchronisieren, sprich gleichzeitig aktiv sind. Dieses Verhalten kann mit der gleichen Formel beschrieben werden, wie

Das Liebesleben der Glühwürmchen

Männliche Glühwürmchen blinken um Weibchen anzulocken - ein kurzer Lichtimpuls gefolgt von ein paar Sekunden der Dunkelheit. In den Weiten des Amazonas hat es ein einziges männliches Glühwürmchen schwer um ein Weibchen anzulocken, zumal diese rund 50-100 Meter über dem Boden fliegen. Also versammeln sich die Männchen auf einem Baum. Damit haben es die Weibchen leichter das schwache Licht zu sehen. Wenn Männchen bei Anbruch der Dämmerung eintreffen, ist ihr Aufleuchten noch ziemlich unkoordiniert. Mit zunehmender Dunkelheit bilden sich jedoch Inseln synchronen Blinkens heraus, die solange wachsen, bis ganze Bäume in einem faszinierenden Lichtspiel pulsieren. Genauso spektakulär soll das Verhalten der heimischen Glühwürmchen im Helenental in der Nähe von Wien sein.
Die Glühwürmchen dürfen nicht durcheinander blinken. Die Weibchen reagieren nur auf ein regelmäßiges artspezifisches Blinken. Ein Glühwürmchen blinkt mit einer bestimmten Eigenfrequenz. Die abgestrahlte Lichtleistung ist aber äußerst gering. Ein Glühwürmchen allein in den Weiten des Urwalds hätte wohl kaum eine realistische Chancen sich fortzupflanzen. Aus diesen Gründen müssen die Glühwürmchen, eigentlich Leuchtkäfer, versuchen, sich zu vereinen und gemeinsam zu agieren. Es würde den Männchen aber wenig nützen, wenn sie einträchtig auf einem Baum sitzen, aber unabhängig Lichtblitze abgeben. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein paar Glühwürmchen gleichzeitig feuern und somit die gemeinsam abgestrahlte Lichtleistung der Pulse etwas höher ist, erscheint relativ gering. Der Baum würde in einem funkelnden Blitzlichtgewitter erscheinen Die Weibchen könnten den Auslöser des Paarungsverhaltens, artspezifische Lichtsignale mit einer speziellen Rhythmik, nicht wahrnehmen. Sie würden nur eine diffuse Lichtquelle, bestehend aus vielen unabhängig blinkenden Glühwürmchen, bemerken.

Also müssen alle Glühwürmchen gleichmäßig blinken. Den ersten Berichten nach, die von diesem Phänomen berichteten, glaubte man an eine optische Täuschung. Man konnte sich nicht vorstellen, wie tausende und abertausende Glühwürmchen gleichzeitig blinkten. Zuerst glaubte man, daß es ein sogenanntes Chef-Glühwürmchen gibt, daß den Rhythmus vorgibt. Diese Annahme stellte sich als falsch heraus. Im Prinzip lässt sich dieses Problem durch Demokratie lösen. Zwei Würmchen entscheiden sich für eine Frequenz. Wenn ein neues hinzukommt, dann passt sich das eine an den Rhythmus der anderen beiden an und umgekehrt und so weiter.

Die männlichen Signale stellen aber nur eine Seite des artspezifischen Codes dar. Im Dialog mit den werbenden Männchen müssen die Weibchen, um zur Paarung zu kommen, zum richtigen Zeitpunkt die richtige Antwort geben. In der Regel erwidern die Weibchen die Werbung mit kurzen unmodulierten Lichtblitzen.

Das Leuchten entsteht durch die chemische Reaktion zweier Substanzen in darauf spezialisierten Zellen. Es ist plausibel anzunehmen, daß diese Reaktion genau dann einsetzt, wenn die Konzentration eines dieser Stoffe eine gewisse Schwelle überschreitet, und so lange abläuft, bis der Vorrat erschöpft ist. Es entspricht den Gegebenheiten biologischer Systeme, daß die Substanz mit einer gleichen Rate produziert wird, gleichzeitig jedoch - durch Abbau oder Diffusion - mit einer Rate verloren geht, die ihrer jeweiligen Konzentration proportional ist. Wenn der Leuchtstoff nicht durch die Leuchtreaktion verbraucht wird, steigt seine Konzentration von Null anfangend relativ rasch an. Mit zunehmender Konzentration spielen die Verlusteffekte eine immer größer werdende Rolle. Dementsprechend nimmt die Konzentration immer langsamer zu und nähert sich schließlich einem gewissen Sättigungswert.

Das Problem und die Lösung der Glühwürmchen lässt sich auf die Neurophysik und die Neurowissenschaften übertragen. Es zeigte sich, daß die Funktion, die die Reaktion des Leuchtstoffes beschreibt, ident ist mit den elektrochemischen Reaktionen der Membran von Neuronen im unterschwelligen Bereich (zwischen Ruhemembranpotential und Schwellwertspannung). Damit wurde es möglich, wichtige Fragen aus der Gehirntheorie zu lösen - zum Beispiel wie ein Gedanke entsteht, oder was Schizophrenie ist.

So schrieb Norbert Wiener (1894-1964, Begründer der Kybernetik) nieder: "Ein interessantes Experiment, das auf die Gültigkeit meiner Hypothese bezüglich der Gehirnwellen Licht zu werfen vermag, könnte durchaus bei der Untersuchung von Leuchtkäfern oder von anderen Tieren wie zum Beispiel von Fröschen, die erfreulicherweise sichtbare oder hörbare Impulse aussenden und ebenso diese Impulse empfangen können, durchgeführt werden. Es ist oft vermutet worden, daß die Leuchtkäfer auf einem Baum im Takt miteinander aufleuchten, und dieses augenscheinliche Phänomen wurde als eine menschliche optische Täuschung dargestellt. Ich habe es bestätigt gehört, daß bei einigen Leuchtkäfern Südostasiens dieses Phänomen so deutlich ist, daß es kaum als Täuschung bezeichnet werden kann."

Es gibt noch viele unbeantwortete Fragen zur Synchronisation und Selbstorganisation von Glühwürmchen. So muss noch das Antwortverhalten von den Weibchen, der allgemeine Temperatureinfluss der Umwelt und vieles mehr berücksichtigt werden. Das Beeindruckende aber ist, daß solch unterschiedliche Phänomene wie das gleichzeitige Blinken von Glühwürmchen und das synchrone Feuern von Neuronen durch eine Formel beschrieben werden können.

Zusätzliche Informationen finden Sie auf der Web-Page
"Brain Modelling", dort werden auch meine Vorlesungen auf der Universität zu diesem Thema mit Bild und Ton übertragen.