Neuronale Effizienz: Ein Fraktalansatz für das Gehirn

MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die Effizienz des menschlichen Gehirns ist ein Wunderwerk der Evolution, das sich über Jahrtausende entwickelt hat, um sich an eine sich schnell verändernde Welt anzupassen. Trotz jahrzehntelanger Forschung bleibt das Geheimnis, wie das Gehirn diese Effizienz erreicht, weitgehend ungelöst.

Die jüngste Forschung, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Cell, hat neue Erkenntnisse darüber geliefert, wie Neuronen – die Zellen, die für unsere Erinnerungen, Gedanken und Emotionen verantwortlich sind – ihre Aktivitäten koordinieren. Diese Entdeckung zeigt, dass das Gehirn eine Balance zwischen individueller Leistung und Teamarbeit erreicht, indem es nicht mehr als die Hälfte und nicht weniger als 40% der Anstrengungen jeder Zelle auf individuelle Aufgaben konzentriert. Der Rest der Anstrengungen wird in skalierbare Teamarbeit investiert.

Interessanterweise wurde dieselbe Organisationsstruktur in den Gehirnen von fünf verschiedenen Spezies gefunden, von Fruchtfliegen und Nematoden bis hin zu Zebrafischen, Mäusen und Affen. Diese Spezies stammen aus verschiedenen Zweigen des Lebensbaums, die durch mehr als eine Milliarde Jahre Evolution getrennt sind, was darauf hindeutet, dass wir möglicherweise ein fundamentales Prinzip für optimierte Informationsverarbeitung entdeckt haben.

Die Entdeckung adressiert eine langjährige Debatte in der Neurowissenschaft: Handeln Neuronen wie Starspieler, die hochspezialisiert und effizient sind, oder priorisieren sie Teamarbeit, um sicherzustellen, dass das gesamte System funktioniert, selbst wenn einige Elemente ausfallen? Mit den Fortschritten in der Kalziumbildgebung, einer Methode, die es uns ermöglicht, neuronale Aktivitäten in Echtzeit zu beobachten, konnten Forscher Signale von zehntausenden Zellen gleichzeitig aufzeichnen.

Durch die Anwendung von Erkenntnissen aus der Physik auf die Analyse großer Datensätze wurde festgestellt, dass die Gehirnaktivität einer fraktalen Hierarchie folgt. Zellen arbeiten zusammen, um größere, koordinierte Netzwerke zu bilden, wobei jede Skala die darüber und darunter liegenden widerspiegelt. Diese Struktur ermöglicht es dem Gehirn, sowohl Individualität als auch Teamarbeit in einer cleveren Weise zu balancieren.

Um zu testen, ob die Struktur des Gehirns einzigartige Vorteile bietet, wurden Computersimulationen durchgeführt, die zeigten, dass diese fraktale Hierarchie den Informationsfluss im Gehirn optimiert. Sie ermöglicht es dem Gehirn, sich schnell an Veränderungen anzupassen und effizient zu arbeiten, selbst wenn Neuronen Fehlfunktionen aufweisen.

Die multiskalige Organisation erlaubt es verschiedenen Strategien oder „neuronalen Codes“, auf unterschiedlichen Skalen zu funktionieren. Zum Beispiel hängt die Bewegung von Zebrafischen von vielen Neuronen ab, die im Einklang arbeiten, während die Mausvision sich auf zellulärer Ebene anpasst, um die Präzision zu ermöglichen, die erforderlich ist, um feine Details aus einer Szene zu extrahieren.

Diese fraktale Koordination neuronaler Aktivitäten tritt über einen weiten evolutionären Zeitraum auf, von Wirbeltieren, deren letzter gemeinsamer Vorfahre vor 450 Millionen Jahren lebte, bis hin zu wirbellosen Tieren, die vor einer Milliarde Jahren entstanden sind. Dies deutet darauf hin, dass Gehirne sich entwickelt haben, um Effizienz mit Resilienz zu balancieren, was eine optimierte Informationsverarbeitung und Anpassungsfähigkeit an neue Verhaltensanforderungen ermöglicht.

Diese Erkenntnisse könnten auch auf andere komplexe Systeme angewendet werden. Wenn Elemente in gestuften Netzwerken organisiert sind, können Ressourcen effizient geteilt werden, und das System wird robust gegenüber Störungen. Dies könnte ein universelles Prinzip sein, um Resilienz und Effizienz in komplexen Systemen zu erreichen.

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