Dieses Modul soll Sie mit "Der materialistische Geist - die Bestandteile Ihres Gehirns" vertraut machen. Sie werden mit der Schönheit und Vielfalt der Neuronen - den elementaren Bausteinen/Mikrochips des Gehirns - vertraut gemacht. Wir werden eine große Kontroverse zwischen zwei großen Anatomen (Ramon y Cajal und Camillo Golgi) beleuchten, die beide 1906 den Nobelpreis erhielten. Sie stellten sich die Frage, ob das Neuron eine separate "unabhängige" Einheit ist (wie andere Zellen in anderen Geweben) oder ob es Teil eines Kontinuums ist? Als Nächstes werden wir das Neuron als Input-Output-Gerät erörtern und eine Schlüsseleigenschaft des Nervensystems hervorheben, nämlich die Tatsache, dass Neuronen über eine wunderbare Vorrichtung namens "Synapse" miteinander verbunden sind.

In diesem Modul werden wir die "Elektrifizierung des Gehirns - passive elektrische Signale" diskutieren. Wir werden zeigen, dass Neuronen elektrische Geräte sind und lernen, was Neuronen dazu befähigt, "elektrisierend" zu werden. Wir werden hier nur die passiven (im Gegensatz zu den aktiven) elektrischen Eigenschaften von Neuronen beschreiben. Wir werden zeigen, dass im Ruhezustand die Differenz des elektrischen Potenzials an der Zellmembran innerhalb der Zelle immer negativ ist (das "Ruhepotenzial"). Als Nächstes werden wir zeigen, dass sich die Membran wie ein elektrischer (Widerstand-Kapazität) RC-Stromkreis verhält und den Begriff der "Membranzeitkonstante" und folglich die Fähigkeit der Neuronen, aufeinanderfolgende (synaptische) Eingaben (in der Zeit) zu summieren ("elektrisches Gedächtnis") hervorheben - ein grundlegender Mechanismus, den das Gehirn nutzt. Wir werden auch zeigen, dass die Synapse, wenn sie aktiviert wird, ein analoges elektrisches Signal (das "postsynaptische Potenzial", PSP) in der empfangenden ("postsynaptischen") Zelle erzeugt. Interessanterweise gibt es im Gehirn zwei Arten von Synapsen - "erregende" und "hemmende" - wir werden erörtern, wie diese beiden gegensätzlichen Signale im empfangenden ``Neuron'' zusammenwirken. Dieses Modul ist technischer als die anschaulicheren ersten beiden Lektionen. Wir empfehlen denjenigen unter Ihnen, die mit den Grundlagen der Elektrizität (Widerstand, Kapazität, Ohmsches Gesetz und Kirchoffsches Gesetz) nicht vertraut sind, diese in den Quellenlinks zur Vorlesung dieser Woche nachzulesen.

In diesem Modul befassen wir uns mit dem Thema "Elektrisierende Gehirne - aktive elektrische Spikes". Im vorherigen Modul haben wir gelernt, dass: 1 - dass Neuronen elektrische Geräte sind, 2 - dass sich die Membran wie ein RC-Stromkreis verhält, 3 - dass Synapsen funktionieren, indem sie eine neue membranübergreifende Leitfähigkeit öffnen, die mit einer Batterie verbunden ist. In diesem Modul werden wir uns mit den aktiven elektrischen Aspekten der Neuronen befassen. Synaptische Eingänge sind die elementaren (Eingangs-)Quellen für Neuronen und typischerweise sind viele (erregende) von ihnen erforderlich, um sich zu summieren ("zeitliche Summierung"), um ein hochgradiges ("alles oder nichts") Ausgangssignal zu erzeugen - den berüchtigten Spike (oder "Aktionspotential"). Nach unserem heutigen Verständnis werden sensorische, motorische, emotionale usw. Informationen durch eine bestimmte Gruppe von Neuronen repräsentiert, die diese Spikes "abfeuern". Es gibt also keine Filme oder Musik in Ihrem Gehirn, sondern nur Spikes, die diese Filme und Musik repräsentieren (kodieren). Wir werden uns auf die Membranmechanismen konzentrieren, die der Erzeugung der Spikes zugrunde liegen, und insbesondere auf das Modell von Hodgkin & Huxley für die Spikes, das wahrscheinlich das grundlegendste und schönste Modell der Neurowissenschaften ist. Hodgkin & Huxley erhielten 1963 den Nobelpreis.

In diesem Modul geht es um "Neuronen als plastische/veränderliche Geräte". Der wohl einzigartigste Aspekt des Nervengewebes ist seine erstaunliche Fähigkeit, sich als Reaktion auf eine herausfordernde Umgebung ständig und adaptiv zu verändern; diese Fähigkeit ermöglicht es uns, zu lernen und Erinnerungen zu speichern. Wir beginnen mit einer kurzen Diskussion über den Begriff des Lernens im Gehirn und beleuchten dann verschiedene Mechanismen, die Lernen und Gedächtnis unterstützen - und führen den Begriff "neuronale Plastizität" ein. Insbesondere die "funktionelle Plastizität", bei der die Wirksamkeit bestehender Synapsen verändert wird, sowie die "strukturelle Plastizität", bei der Lern-/Gedächtnisprozesse mit anatomischen Veränderungen - der Bildung neuer synaptischer Verbindungen und mit der Neurogenese - der Entstehung neuer Nervenzellen (ja, auch im erwachsenen Gehirn) - verbunden sind. Ein mathematisches Modell, das einige Aspekte der funktionellen Plastizität erfasst, wird ebenso vorgestellt wie mehrere neue spannende experimentelle Ergebnisse im Zusammenhang mit der "neuronalen Plastizität".

Jetzt sind Sie gut gerüstet für einen erfolgreichen Einstieg in das Thema dieses Moduls - "Kabeltheorie und dendritische Berechnungen". Wir sind bereit, einen konzeptionellen "Sprung" zu machen und ein faszinierendes Thema zu diskutieren. Nämlich, wie die anatomische und elektrische Maschinerie der Neuronen diese mit Rechenfähigkeiten ausstattet. Die Berechnung der Ausrichtung einer Linie und der Bewegungsrichtung (im visuellen System) oder der Ort oder die Intensität eines Geräusches (im auditorischen System) und die Planung einer Bewegung zum Ergreifen einer Tasse Kaffee (im motorischen System) sind alles Berechnungen, die unser Gehirn mühelos ausführt. Der Erfolg dieser Berechnungen ist absolut entscheidend für unser Überleben. Hubel und Wiesel (Nobelpreisträger 1981) haben gezeigt, dass Nervenzellen im visuellen Kortex der Katze empfindlich auf die Ausrichtung von Linien in der visuellen Welt reagieren (Orientierungsselektivität). Wenn Sie also die Welt um sich herum betrachten, können Sie diese Zellen "benutzen", um den Winkel eines Baumes (vertikal) und den der Augen, die Sie ansehen (horizontal), zu erkennen. Aber wie führen die Nervenzellen (und das Gehirn als Ganzes) diese Berechnungen durch? In den 1960er Jahren betrachtete Wilfrid Rall Neuronen als elektrisch verteilte Elemente (und nicht als "Punkt"-Elemente) und entwickelte folglich die "Kabeltheorie für Dendriten", die die Prinzipien hervorhebt, die die Ausbreitung/Abschwächung synaptischer Potenziale (den Input der Zelle) von ihrem dendritischen Ursprungsort zum Soma/Axon (dem Output) bestimmen. Wir werden sehen, dass die Kabeleigenschaften der Dendriten Neuronen mit Rechenfähigkeiten ausstatten (z.B. Neuronen, die die Richtung der Bewegung berechnen). Wir werden einige frühe und neuere theoretische Ideen darüber diskutieren, wie die "neuronale Hardware" - Synapsen, Dendriten, Axone und die von ihnen übertragenen Signale - elementare Berechnungen durchführen kann. Abschließend werden wir Ihnen einige aktuelle und fantastische technologische Fortschritte vorstellen, die es uns zum ersten Mal ermöglicht haben, einige dieser theoretischen Ideen experimentell zu überprüfen. Wir hoffen, dass Ihnen dieser konzeptionelle "Sprung" von der Erörterung der biophysikalischen Eigenschaften von Neuronen zu ihren Rechenfunktionen gefallen wird.

Dieses Modul basiert auf dem, was Sie in den Modulen 3 bis 6 gelernt haben: wie einzelne Zellen funktionieren, wie sie über (plastische) Synapsen miteinander verbunden sind und wie sie bestimmte Berechnungen durchführen können. Hier verbinden wir tatsächlich ein Netzwerk von Neuronen (mit dem "Blue Machine Supercomputer"), so dass wir die Aktivität eines großen Netzwerks mathematisch simulieren können (das "Blue Brain Project" BBP mit Sitz an der EPFL in Lausanne, Schweiz). Wir wissen, wie man ein einzelnes Neuron simuliert (das Hodgkin- und Huxley-Modell) und wie man Synapsen und dendritische Kabel simuliert (Wilfrid-Rall-Modell), so dass wir Neuronenmodelle miteinander verbinden und realistische Netzwerke im Computer aufbauen können. Wir begannen mit der Simulation des Neokortex von Säugetieren, einer relativ neuen Struktur in der Evolution (200 Millionen Jahre alt). In jedem Kubik-mm des Neokortex (z.B. bei der Ratte) gibt es etwa 100.000 Zellen, 4 km Drähte (Dendriten und Axone) und etwa 100 Millionen Synapsen. Wir sind heute in der Lage, experimentelle Daten (anatomische und physiologische) und mathematische Methoden zu integrieren und die elektrische und synaptische Aktivität in mehreren Kubik-mm des Neokortex zu simulieren. Wir werden etwas über den Neokortex erfahren - einschließlich der Neuronentypen, aus denen er besteht - und wie wir einen so großen neuronalen Schaltkreis simulieren können. Anschließend werden wir erörtern, was wir daraus lernen können und was wir als nächstes anstreben. Abschließend werden wir das kürzlich angekündigte EU-Flaggschiff-Projekt - das "Human Brain Project" (HBP) - beschreiben. Das BBP diente als Keimzelle für das HBP, aber letzteres ist viel breiter angelegt und noch ehrgeiziger. Es zielt darauf ab, neue Ansätze für die Behandlung von Gehirnerkrankungen (die so dringend benötigt werden) zu entwickeln und die Zukunft der Neurowissenschaften sowie des vom Gehirn inspirierten Computings und der Robotik voranzutreiben.

Während dieses Moduls werden wir einen besonderen Vortrag von Prof. Israel Nelken von der Hebräischen Universität in Jerusalem hören, der über "Wahrnehmung, Handlung, Kognition und Emotionen" sprechen wird. Bis heute haben wir uns hauptsächlich auf die Funktion einzelner Zellen und kleiner Netzwerke konzentriert. Modul #8 befasst sich mit Berechnungen auf höherer Ebene und insbesondere mit "der Geschichte des Klangs". Das auditorische System wandelt Schall in elektrische Signale um. Haarzellen, Basilarmembran, die Cochlea und andere sind allesamt Werkzeuge, die das Gehirn verwendet, um die äußere Welt in neuronale Aktivität zu übersetzen. Der nächste Schritt ist die Wahrnehmung - die Verarbeitung der sensorischen Informationen in eine nützliche Darstellung. Ein schönes Beispiel dafür ist die Verwendung von binauralen Hinweisen zur Lokalisierung von Geräuschen. Die Wahrnehmung führt den Organismus zu Handlungen - das Gehirn sagt die Welt voraus und berechnet die Handlung, die eine maximale Belohnung bringt und eine Bestrafung vermeidet. Was geschieht im Falle von Überraschungen? Hier sind Berechnungen auf einer höheren Ebene erforderlich. Wir werden den Vortrag mit Emotionen beenden - was sind sie, wie werden sie im Gehirn repräsentiert und wie beeinflussen sie unser Handeln.

Und dann sind da noch die faszinierenden Fragen, die die Hirnforscher erst vor kurzem zu stellen wagten. Haben wir einen freien Willen? Und was ist dieses subjektive Gefühl des Bewusstseins? Diese alten Fragen, die bisher nur in den Geistes- und Sozialwissenschaften behandelt wurden, erhalten in der modernen Hirnforschung eine neue Perspektive. Und das neue Verständnis, das sich daraus ergibt, bringt neue ethische Fragen mit sich ("Neuroethik") - könnten wir z.B. Gedanken direkt aus dem Gehirn lesen ("Gehirnpolygraphen")? Dies wirft die Frage auf, wie ähnlich sich unsere individuellen Gehirne bei der Darstellung und Codierung bestimmter Informationen sind (z.B. ein Gesicht, das wir sehen)? Könnten wir Gehirnscans/-sonden einsetzen, um mit dem Gehirn von Menschen im Koma zu kommunizieren? Ist es möglich, das Gehirn elektrisch zu stimulieren, um unsere Fähigkeiten zu verbessern ("enhanced cognition")? Diese und andere Fragen warten in diesem Modul auf Sie.

Sie haben sich in kurzer Zeit eine Menge Stoff angeeignet und wir hoffen sehr, dass Sie diese Erfahrung des Lernens über das Gehirn mit Hilfe seiner einzigartigen plastischen Fähigkeiten genossen haben. Wir möchten Ihnen für Ihre aktive Teilnahme danken, dafür, dass Sie es uns ermöglicht haben, uns während des Kurses zu verbessern und für die vielen Komplimente, die wir von vielen von Ihnen erhalten haben.