Eine neue Studie der Dresdner Hochschulmedizin zeigt, wie das Gehirn Informationen effizient verarbeitet und sich flexibel an Herausforderungen anpasst. Die Forschung, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, beschäftigt sich mit den wissenschaftlichen Prinzipien der Kritikalität und der effizienten Kodierung. Dabei geht es um die Balance zwischen Ordnung und Chaos in der neuronalen Informationsverarbeitung.
Internationale Forschungsteams aus Dresden, Tübingen, Paris und Shanghai haben ein mathematisches Modell entwickelt, das neuronale Netzwerke simuliert. Durch eine Variation des Rauschniveaus im Netzwerk untersuchten die Wissenschaftler den Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der neuronalen Verbindungen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein mittleres Rauschniveau zu maximaler Leistung führt – moderate Rauschpegel verbessern die Informationsverarbeitung.
Kritikalität und neuronale Signaturen
Die Studie identifizierte typische Signaturen von Kritikalität, darunter “neuronale Lawinen“. Bei zu wenig Rauschen synchronisieren sich Neuronen zu stark, was deren Flexibilität einschränkt. Im Gegensatz dazu führt zu viel Rauschen zu chaotischen und ineffizienten Aktivitätsmustern. Der angestrebte optimale Zustand ist eine Balance zwischen Präzision und Flexibilität, wobei Kritikalität als natürlicher Nebeneffekt optimaler Informationsverarbeitung zu verstehen ist.
Diese Erkenntnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis von psychischen Störungen haben. Störungen im Gleichgewicht, beispielsweise bei Schizophrenie, gehen oft mit hyperkonnektiven Zuständen und chaotischen neuronalen Aktivitäten einher. Bei Depressionen und Zwangsstörungen kann eine übermäßige Ordnung in neuronalen Schaltkreisen beobachtet werden. Ein besseres Verständnis dieser Mechanismen könnte neue Behandlungsmöglichkeiten für psychische Erkrankungen eröffnen.
Energieeffizienz des menschlichen Gehirns
Parallel zu diesen Erkenntnissen untersucht die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel die Übertragung biologischer Informationsverarbeitung auf technische Systeme im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1461 „Neuroelektronik“. Ziel dieser Forschungen ist die Entwicklung energieeffizienter Computerarchitekturen, inspiriert durch die Funktionsweise des menschlichen Gehirns, das im Alltag lediglich etwa 25 Watt verbraucht, während moderne Computer und Smartphones deutlich mehr Energie benötigen.
Die „kritische Gehirnhypothese“ besagt, dass das Gehirn am schnellsten und energieeffizientesten arbeitet, wenn es sich im Zustand der Kritikalität befindet. Diese Zustandssensitivität kann sowohl durch Magnetresonanztomographie (MRT) als auch durch Elektroenzephalographie (EEG) nachgewiesen werden. Jüngste Ergebnisse der Kieler Forscher deuten darauf hin, dass sowohl interne Mechanismen als auch äußere Einflüsse zur Erreichung dieses Zustands beitragen können.
Fortschritte in der kognitiven Neurowissenschaft
Ebenfalls relevant für das Verständnis dieser Prozesse ist die kognitive Neurowissenschaft, die elektrophysiologische Verfahren zur Untersuchung biochemischer und biophysikalischer Vorgänge im Organismus verwendet. Diese Disziplin untersucht, wie neuronale Aktivität durch unterschiedliche Stimuli beeinflusst wird und bietet wichtige Ansätze zur Messung der Verarbeitungskomplexität im Gehirn.
Durch die Kombination dieser Erkenntnisse erhoffen sich Wissenschaftler neue Einsichten in die neuronalen Grundlagen komplexer Verhaltensweisen und deren technische Nachahmung. Die Erforschung der Kritikalität könnte somit nicht nur zur Verbesserung der psychischen Gesundheit beitragen, sondern auch den Weg zu robusteren und anpassungsfähigeren künstlichen Intelligenzsystemen ebnen.