Christian Eurich
LIS / Kippenberg-Gymnasium
Institut für Theoretische PhysikUniversität Bremen
Die Interpretation von Hirnsignalen
Ein aktuelles Thema für den interdiziplinären Unterricht
Inhalt
Teil I: Neurowissenschaften heute – Chancen und Risiken(Relevanz; Biologie)
Teil II:Mathematische Aspekte
Teil III:Ein Projekt in Klasse 12
Teil I: Die Neurowissenschaften heute
Wissenschaft, die sich mit dem Aufbau, der Funktionsweise und den Leistungen von Gehirnen beschäftigt
Neurowissenschaften
Medizin BiologiePsychologie
Physik
Mathematik
InformatikIngenieur-
wissenschaften
Philosophie
Jura
Ein Thema für die Schule?
Bildungsgehalt dieses Themenkomplexes?
Neurowissenschaften: Von der Grundlagenforschungzu Anwendungen
An der Schwelle zu einer Spitzentechnologie (vgl. Genetik)!
Große Chancen, viele Risiken und offene Fragen
Die Entschlüsselung von Hirnaktivität
Wie werden im Gehirn Informationen verarbeitet?Gebiet der neuronalen Kodierung
Heute: Entwicklung von Brain-Computer-Interfaces
Gabriel Curio (Charité)Klaus-Robert Müller (Fraunhofer)
Das Gehirn / Nervenzellverbände
Zeichnung von S. Ramón y Cajal
Nervenzellen (Neuronen)
ZellkörperDendriten
Nerven-faser
Synapse
Aktionspotentiale (Spikes)
Elektrische Impulse in der Nervenfaser
NervenfaserIm Modell:
Messung der Aktivität von Zellen
Mikroelektroden
Heute: > 100 Zellen gleichzeitig
(Hoag 2003)
Z eit
5 0 0 m s
Serie von Aktions-potentialen (Spiketrain)
Arbeitsprogramm
Zusammenhänge zwischen Hirnaktivität und Wahrnehmung, Handlungen und inneren Zuständen
Beispiel: Handbewegungen
Wessberg et al., Nature 408 (2000) 361
Z eit
5 0 0 m s
Beispiel: Armbewegungen
Wessberg et al., Nature 408 (2000) 361
Beispiel: Armbewegungen
Chancen: Motorische Neuroprothesen
E. N. Brown, Harvard Medical School
Robotersteuerung funktioniert auch ohne reale Handbewegungen...
Risiken: Militärische Anwendungen
DARPA
DARPA
National Science Foundation /Department of Commerce, Conference „Converging Technologiesfor Improving Human Performance“, 2002
„Roborat“
Chronische Implantation von Elektroden:rechter/linker somatosensorischer Cortex – Tastreizemediales Vorderhirnbündel – Belohnungen
Ratten können sich frei bewegen
Training der Tiere: Stimulation derElektroden als Befehl zur Bewegung;Konditionierung durch Belohnungs-reize
Talwar et al., Nature 417 (2002) 38von DARPA gefördert
„Roborat“
Resultat: Bewegung auf komplexen Wegen inkl. Klettern und Springen
Durch MVB-Stimulation werden die Tiere „motiviert“
Bewegung auch in Gelände, das die Ratten normalerweise meiden(z. B. helle, offene Flächen)
Anwendungen
„[...] a guided rat can be developed into an effective `robot´ […]“
Suche nach Verschütteten
Minenräumung(!)
Spionage
Prof. Shimoyama, Bio-Robot Research Team, Tokyo University: „Roboroach“ Kakerlake mit Implantat
Associated Press, Juli 2001
Teil II:
Mathematische Aspekte
Das stochastische Gehirn
Reaktion einer Nervenzelle istnicht immer gleich!
Z eit
5 0 0 m s
(Daten von S. Mandon)
Neuronaler Code: Zähle bei jeder Versuchswiederholung die Anzahl der Aktionspotentiale
Rekonstruktion von Reizen indrei Schritten:
1. Messung der Statistik der Neuronen
2. Eine einzelne Messung bei unbekanntem Reiz
3. Schätzung des Reizes
Wahrscheinlichkeitsrechnung (Kl. 12)
Zufallsexperiment: Messung (bei geg. )
Elementarereignisse: 0, 1, 2, ... , n Aktionspotentiale
Absolute / relative Häufigkeiten
Schritt 1: Statistik eines Neurons
Relative Häufigkeit der Anzahl der Aktionspotentiale
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
h(k
)
Neuron 1, alpha=43°
Modellierung der Statistikbei bekanntem Mittelwert np:Binomialverteilung
Schritt 1: Statistik eines Neurons
knk ppk
nnkP
)1(),;(
Binomialverteilung
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
P(k
;12,
43°)
P(k;12,alpha=43°)
Binomialverteilungen für verschiedene Winkel verschiedene Werte von p
Schritt 1: Statistik eines Neurons
knk ppk
nnkP
)1(),;( p p
alpha = 15°
0
0,05
0,1
0,150,2
0,25
0,3
0,35
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
P(k
;12,
15°)
alpha = 43°
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
P(k
;12,
43°)
alpha = 120°
0
0,05
0,1
0,150,2
0,25
0,3
0,35
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
P(k
;12,
120°
)
alpha = 0°
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
P(k
;12,
0°)
alpha = 75°
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
P(k
;12,
75°)
alpha = 90°
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
P(k
;12,
90°)
Schritt 2: Eine Messung
Durchführung einer einzelnen Messung mit unbekanntemReiz
Resultat z. B.: k=5 Aktionspotentiale
Schritt 3: Rekonstruktion
Schätzung von für die Messung k=5:
Trageals Funktionvon auf:
alpha = 15°
0
0,05
0,1
0,150,2
0,25
0,3
0,35
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
P(k
;12,
15°)
alpha = 43°
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
P(k
;12,
43°)
alpha = 120°
0
0,05
0,1
0,150,2
0,25
0,3
0,35
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
P(k
;12,
120°
)
alpha = 0°
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
P(k
;12,
0°)
alpha = 75°
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
P(k
;12,
75°)
alpha = 90°
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
k
P(k
;12,
90°)),;5( nkP
Likelihood-Funktion
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 15 43 75 90 120 152 180
alpha
P(5
;12,
alp
ha)
Die Stelle des Maximumsliefert den Schätzwert!
Maximum-Likelihood-Schätzung
Teil III: Projekt in Klasse 12
Projektarbeit zweier Schüler
Fächer: Biologie, Mathematik, Deutsch
Likelihood-Funktion
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 15 43 75 90 120 152 180
alpha
P(5
;12,
alp
ha)
Erarbeitung des biologischen Hintergrundes
Erarbeitung der grundlegenden Schätzmethode
Projekt in Klasse 12
Besuch zweier Uni-Institute:
Institut für Institut für T‘heoretische Physik Hirnforschung
Projekt in Klasse 12
Auswertung von Original-Daten
Erörterung überTierversuche
Zusammenfassung
Neurowissenschaftliche Forschung istaktuell und gesellschaftlich sehr relevant
Neurowissenschaftliche Themen gehörenzum Teil zu den „normalen“ Curricula;fächerübergreifender Unterricht istnotwendig
Selbst neueste Forschungsergebnisse lassen sich - quantitativ! – im Rahmen der Schulmathematik/-biologie behandeln
Z eit
5 0 0 m s
Stellenausschreibung
Postdoctoral position in neurobiology / engineering in Woods Hole
A 4-year DARPA research project, funded annually, to steer the behavior of sharks in the natural environment through stimulation of selected sensory brain areas. Expertise in brain stimulation, multi-electrode recording and neural data analysis most desirable. Interfacing with wireless data transmission and stereotactic electrode positioning.
Send applications and inquiries to Jelle Atema, PhD Professor Boston University Marine Program Marine Biological Laboratory Woods Hole, MA 02543
Connectionist List, 30.6.2005