Das Gehirn

[fehlgeleitet]

Künstliche Erinnerungen durch Hirnzellenstimulation

ja interessant. danke.

[Bwana Honolulu]

Schizophrenie, Depression und bipolare Störungen haben viel gemeinsam, zum Beispiel überlappen sich die für Schizophrenie typischen Gene zu etwa 70 Prozent mit denen, die das Risiko einer bipolaren Störung steigern. Die Erbanlagen für Autismus, ADHS und – wiederum – Depression formen auch eine Art Cluster mit vielen gemeinsamen Genvarianten. Ein drittes Cluster bilden Tourette-Syndrom, Magersucht und Zwangsstörung. Doch es kann auch andersherum sein. Einige Genvarianten steigern das Risiko einer Schizophrenie, aber mindern das einer bipolaren Störung. Was das genau bedeutet, ist bislang unklar.

[Bwana Honolulu]

Schon mal gesehen, was passiert, wenn ein Parkinson-Patient mit Hirnschrittmacher den Hirnschrittmacher ausschaltet?

[Bwana Honolulu]

„Dali-Schlaftechnik“ erhöht Kreativität

Beim Einschlafen können die Gedanken sprudeln: ein halb wacher, halb träumender Zustand, den schon Künstler wie Salvador Dali genutzt haben. Dass die Einschlafphase tatsächlich Kreativität erhöhen kann, haben Forscherinnen und Forscher nun in einem Experiment bewiesen.

Neben Dali hat etwa auch schon Thomas Edison gewusst, dass kurz vor dem Einschlafen unsere Kreativität erwacht. Er meinte etwa, dass sein Erfinderreichtum in dieser Phase besonders groß sei. „Manche Bereiche des Gehirns sind dann noch aktiv, als wäre die Person wach, andere hingegen nicht. Realität und Traum treffen so aufeinander“, erklärt der französische Hirnforscher Thomas Andrillon gegenüber dem ORF. Er ergänzt: „Ob in dieser Phase die Kreativität aber wirklich erhöht wird, war bisher nicht bekannt.“ Zusammen mit einem Team hat er daher untersucht, ob Dalí und Edison mit ihrer Annahme recht hatten. Die daraus entstandene Studie ist aktuell im Fachjournal „Science Advances“ zu lesen.

Problemlösung nach kurzem Schlaf

Um zu testen, wie sich die Einschlafphase auf die Kreativität auswirkt, führte das Forscherteam ein Experiment durch. Über 100 Studentinnen und Studenten wurden achtstellige mathematische Zahlenreihen gegeben, zu denen sie die letzte Ziffer finden sollten. „Die Aufgaben waren wirklich komplex, also nicht einfach zu bewältigen“, so Andrillon, der Co-Autor der Studie. Nachdem die Teilnehmerinnen und Teilnehmer die Zahlenreihen gesehen und ein paar davon gelöst hatten, durften sie sich in einem dunklen, ruhigen Raum rund 20 Minuten lang ausruhen. Einige nickten dabei ein.

Das Ziel des Forscherteams war es, die Personen genau in der Phase direkt nach dem Einschlafen zu wecken. Dazu nutzten sie einen bekannten Trick, den auch schon Edison angewandt haben soll: „Sobald wir komplett einschlafen, entspannen sich die Muskeln in unserem Körper. Wir haben den Probandinnen und Probanden daher Gegenstände in die Hand gegeben, die ein lautes Geräusch erzeugen, sollten sie auf den Boden fallen“, erklärt Andrillon. Sobald jemand in einen zu tiefen Schlaf rutschte, sollte der Gegenstand hinunterfallen und die Probanden wecken. 24 davon waren rund 30 Sekunden in der Phase direkt nach dem Einschlafen und wachten dann auf. Ein paar andere rutschten trotz hinunterfallenden Gegenständen in tieferen Schlaf ab und der Rest schlief während des Experiments gar nicht ein.

Trick als Lösung der Aufgabe

Eines hatten die Zahlenreihen, die den Probanden gestellt wurden, gemeinsam – sie alle waren durch einen einfachen Trick schnell zu lösen. „Wir wollten herausfinden, ob diese versteckte Regel eher entdeckt wird, nachdem man kurz in der Einschlafphase war“, so Andrillon, der ergänzt: „In unserer Studie haben wir Kreativität so definiert, neue und effiziente Lösungswege für ein Problem zu finden – anhand der Zahlenreihen konnten wir das gut überprüfen.“

Genau solche Lösungswege konnten nämlich jene Probandinnen und Probanden finden, die sich nur kurz in der Einschlafphase befunden hatten. 83 Prozent von ihnen fanden die versteckte Regel zur Lösung der Zahlenreihen. Bei all jenen, die nicht geschlafen hatten, waren es nur 31 Prozent und bei denjenigen, die tiefer geschlafen hatten, sogar nur 14 Prozent. „Am Ergebnis sieht man ganz klar, dass es diesen optimalen Bereich für Kreativität kurz nach dem Einschlafen tatsächlich gibt. Wichtig ist für die erhöhte Kreativität nach dem Aufwachen aber, dass man davor nicht komplett einschläft“, erklärt der Co-Autor der Studie.

Weitere Untersuchungen nötig

Dass man nach einem sehr kurzen Nickerchen kreativere Lösungswege für Probleme findet, sieht Andrillon anhand der Studie als bewiesen an. Immer noch unklar sei aber, welche Prozesse im Gehirn und Körper aber tatsächlich dafür verantwortlich sind. „Hierzu müssen wir noch weitere Untersuchungen mit einer genaueren Überprüfung der Gehirnaktivitäten durchführen. Außerdem möchten wir die Methode, einen Gegenstand beim Einschlafen fallen zu lassen, mit technischen Geräten effizienter machen und so den Punkt, an dem unsere Kreativität am stärksten angeregt wird, künftig noch besser nutzen“, so Andrillon.

[Bwana Honolulu]

DYI-Gehirn:

Ein Gehirn in einer Petrischale hat gelernt, Pong zu spielen

Ein Start-up aus Australien hat es geschafft, Miniaturgehirne aus menschlichen Zellen zu züchten. Diesen hat das Unternehmen anschließend beigebracht, den Automatenklassiker Pong zu spielen. Dabei lernten die Zellhaufen offenbar deutlich schneller als eine Künstliche Intelligenz.

Das Gehirn ist ein wahrer Wunderapparat. Es ist stets aktiv, kann komplexe Aufgaben lösen, ist lernfähig und sehr gut darin, Informationsströme parallel zu verarbeiten – und das auch noch äußerst energieeffizient. Das menschliche Gehirn verbraucht mit 12 bis 24 Watt weniger als die Glühbirne in einem Kühlschrank. Daher arbeiten Forscher bereits seit mehreren Jahren daran, biologische Nervenzellen in der Informatik nutzbar zu machen. Dem Start-up Cortical Labs ist dabei nun nach eigenen Angaben ein Durchbruch gelungen. Dessen Wissenschaftler haben es geschafft, in Petrischalen gezüchteten Zellhaufen, eine spezifische Aufgabe meistern zu lassen: Sie haben dem Miniaturgehirn beigebracht, Pong zu spielen.

Die sogenannten DishBrains, wie Cortical Labs sie nennt, wurden aus einer kleinen Anzahl von menschlichen Hirnstammzellen auf einem Chip mit einem Mikroelektrodennetz herangezüchtet. Dadurch sind sie direkt mit der elektronischen Hardware verbunden und können gezielt mit elektromagnetischen Impulsen stimuliert werden. Diese Impulse können aufgenommen, verarbeitet werden und zu einer Reaktion führen – ganz wie bei einem realen Gehirn –, die wiederum über die Platine abgelesen wird. Insgesamt soll jedes der Mini-Gehirne aus 800.000 bis einer Million Neuronen bestehen, die von einer Nährlösung umgeben sind – zum Vergleich: ein menschliches Gehirn verfügt über rund 100 Milliarden, eine Maus über 15 Milliarden, eine Fischlarve nur über 100.000 Nervenzellen.



Laut einem Artikel in New Scientist haben die Forscher des australischen Unternehmens die DishBrains ganz ähnlich wie eine Künstliche Intelligenz mit einer abgewandelten Fassung des Videospielklassikers Pong trainiert. Über leichte Impulse auf der Platine wurde den Zellhaufen die Position des digitalen Balles signalisiert, der immer wieder von einer Wand abprallt. Bewegte sich der von rechts oben nach links unten, wurden die Impulse geographisch genauso auf der Platine gespiegelt. Die Zellen reagierten ihrerseits mit Impulsen, die als Bewegung des Schlägers interpretiert werden können. Wird ein Ball verfehlt, wird das mit einem negativ konnotierten Signal beantwortet.

Feucht Ware?

Einem künstlich erzeugten Mini-Gehirn Pong beizubringen ist für sich schon eine Errungenschaft. Wirklich bemerkenswert aber macht den Erfolg wohl die Schnelligkeit, mit der die DishBrains laut Cortical Labs lernen. Laut den Forschern brauche eine Künstliche Intelligenz je nach Rechenkraft des genutzten Systems über eine Stunde, um Pong zu beherrschen. Ein DishBrain habe hingegen teils nur fünf Minuten benötigt, bis es das Videospiel gelernt hatte. Der Grund dafür sei, dass sich die neuronalen Verbindungen dem gestellten Problem anpassten – sich das Gehirn also restrukturierte, um der Aufgabe besser gerecht zu werden. Brett Kagan, der Leitende Wissenschaftler des Start-ups, sagt, dass das Gehirn „in einer Matrix“ lebt und die Gehirnzellen „glauben, dass sie der Schläger sind“.

Noch ist ein solch biologischer Prozessor ein Prototyp, aber das Ziel von Cortical Labs ist es, diese Technik in wenigen Jahren kommerziell nutzbar zu machen. Das australische Unternehmen ist nicht das einzige, das an einer solchen Technologie werkelt. Unter dem Projektnamen Neu-ChiP arbeitet gefördert von der Europäischen Union auch ein Konsortium aus mehreren europäischen und israelischen Firmen und Forschungseinrichtungen daran, „Stammzellen des menschlichen Gehirns in speziell entworfene komplexe Schaltkreise zu integrieren, so dass sie wie ein künstlicher biologischer Computer funktionieren können“. Und auch das US-Start-up Koniku forscht in diese Richtung.

Die Vision von Computern, die biologische und elektronische Bestandteile verknüpfen, ist bereits seit Jahrzehnten ein Motiv der Science Fiction – und wird als Wetware bezeichnet. Insbesondere in Cyberpunk-Romanen wie Schismatrix, der Neuromancer-Saga aber auch in der Welt von Star Trek gehören sie zum Alltag. Spezielle Rechenoperationen werden in diesen fiktiven Szenarien beispielsweise von Computern übernommen, die dank menschlichen oder tierischen Gehirngewebes abstrakt denken, träumen, schätzen oder Urteile aufgrund emotionaler Reaktionen treffen können. Zumindest in diesen fiktiven Szenarien geht das nicht immer gut aus.

[Bwana Honolulu]

Human Brain Compresses Working Memories into Low-Res ‘Summaries’



You have probably done it already a few times today. Paused to remember a password, a shopping list, a phone number, or maybe the score to last night’s ballgame. The ability to store and recall needed information, called working memory, is essential for most of the human brain’s higher cognitive processes.

Researchers are still just beginning to piece together how working memory functions. But recently, NIH-funded researchers added an intriguing new piece to this neurobiological puzzle: how visual working memories are “formatted” and stored in the brain.

The findings, published in the journal Neuron, show that the visual cortex—the brain’s primary region for receiving, integrating, and processing visual information from the eye’s retina—acts more like a blackboard than a camera. That is, the visual cortex doesn’t photograph all the complex details of a visual image, such as the color of paper on which your password is written or the precise series of lines that make up the letters. Instead, it recodes visual information into something more like simple chalkboard sketches.

The discovery suggests that those pared down, low-res representations serve as a kind of abstract summary, capturing the relevant information while discarding features that aren’t relevant to the task at hand. It also shows that different visual inputs, such as spatial orientation and motion, may be stored in virtually identical, shared memory formats.

The new study, from Clayton Curtis and Yuna Kwak, New York University, New York, builds upon a known fundamental aspect of working memory. Many years ago, it was determined that the human brain tends to recode visual information. For instance, if passed a 10-digit phone number on a card, the visual information gets recoded and stored in the brain as the sounds of the numbers being read aloud.

Curtis and Kwak wanted to learn more about how the brain formats representations of working memory in patterns of brain activity. To find out, they measured brain activity with functional magnetic resonance imaging (fMRI) while participants used their visual working memory.

In each test, study participants were asked to remember a visual stimulus presented to them for 12 seconds and then make a memory-based judgment on what they’d just seen. In some trials, as shown in the image above, participants were shown a tilted grating, a series of black and white lines oriented at a particular angle. In others, they observed a cloud of dots, all moving in a direction to represent those same angles. After a short break, participants were asked to recall and precisely indicate the angle of the grating’s tilt or the dot cloud’s motion as accurately as possible.

It turned out that either visual stimulus—the grating or moving dots—resulted in the same patterns of neural activity in the visual cortex and parietal cortex. The parietal cortex is a part of the brain used in memory processing and storage.

These two distinct visual memories carrying the same relevant information seemed to have been recoded into a shared abstract memory format. As a result, the pattern of brain activity trained to recall motion direction was indistinguishable from that trained to recall the grating orientation.

This result indicated that only the task-relevant features of the visual stimuli had been extracted and recoded into a shared memory format. But Curtis and Kwak wondered whether there might be more to this finding.

To take a closer look, they used a sophisticated model that allowed them to project the three-dimensional patterns of brain activity into a more-informative, two-dimensional representation of visual space. And, indeed, their analysis of the data revealed a line-like pattern, similar to a chalkboard sketch that’s oriented at the relevant angles.

The findings suggest that participants weren’t actually remembering the grating or a complex cloud of moving dots at all. Instead, they’d compressed the images into a line representing the angle that they’d been asked to remember.

Many questions remain about how remembering a simple angle, a relatively straightforward memory formation, will translate to the more-complex sets of information stored in our working memory. On a technical level, though, the findings show that working memory can now be accessed and captured in ways that hadn’t been possible before. This will help to delineate the commonalities in working memory formation and the possible differences, whether it’s remembering a password, a shopping list, or the score of your team’s big victory last night.

[Bwana Honolulu]