Neuronales Netzwerk I; Wie funktioniert das Gehirn?

aus spektrum.de, 29. 5. 2022                                                                                                              zu Jochen Ebmeiers Realien

Neuronale Netzwerke oder “Wie funktioniert das Gehirn?”
Hirn & Weg startet in einen Themenmonat rund um Künstliche Intelligenz und Neuronale Netzwerke. Was sind (künstliche) neuronale Netzwerke? Wie lebt ein Pilz ohne Gehirn? Und was macht KI mit uns Menschen? All das und noch viel mehr erfahren Sie in den kommenden vier Beiträgen.

In Beitrag 1 geht es zunächst darum, wie unser eigenes neuronales Netzwerk – unser Gehirn – funktioniert. 

Von Martje Sältz

Smartphones können unsere Gesichter inzwischen sogar mit Maske erkennen – wow! Apples FaceID löste schon bei Markteinführung eine riesige Faszination aus. Während wir uns für solche technischen Fortschritte schnell begeistern können, denken wir selten darüber nach, was unser eigenes Gehirn für eine Leistung vollbringt, wenn wir auf der Straße zwischen hunderten Gesichtern unseren besten Freund entdecken. Oder ein Wort lesen. Oder einen Apfel von einer Banane von einer Mandarine unterscheiden.* Und das Ganze mit einer Leichtigkeit und Geschwindigkeit, die selbst im Jahr 2022 noch Maschinen vor Neid erblassen lassen (Moment – dafür bräuchten Maschinen ja erstmal eine emotionale Intelligenz…).

^{* (Schwieriger wird es natürlich bei Mandarine, Apfelsine, Clementine – ääh, was war nochmal der Unterschied?)}

Nervenzellen: Grundbausteine des Gehirns

Hauptakteure der Höchstleistungen des Gehirns sind die Nervenzellen, Neuronen genannt. Schauen wir uns einmal an, wie so ein Neuron aufgebaut ist. Ich weiß, das klingt jetzt gefährlich nach Biounterricht in der Schule – aber keine Sorge, niemand muss hier ein Neuron malen. Stattdessen gibt es eine fertige Grafik:

^{Grober Aufbau eines Neurons. Quelle: Unknwon author, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons}
 

Ein Neuron besteht also aus einem Zellkörper (Soma). Dieser ist vor allem für die Energieversorgung der Nervenzelle zuständig. Dazu besitzt das Neuron viele Dendriten. Dendriten sind quasi die Ohren des Neurons, sie empfangen also die Informationen von anderen Neuronen. Weil ein Neuron meist sehr viele Dendriten hat und diese sehr verzweigt sind, spricht man auch vom Dendritenbaum.

<sup>Einen besonders eindrucksvollen Dendritenbaum haben die Purkinje-Neuronen in der Kleinhirnrinde.
Bild: Project leader: Maryann Martone. Experimenters: Andrea Thor & Diana Price

Zuletzt hat das Neuron noch ein Axon. Dieses entspringt am Axonhügel des Zellkörpers. Wenn Dendriten die Ohren des Neurons sind, ist das Axon der Mund: Es trägt die Information des eigenen Neurons an andere Neurone weiter.</sup>

 

Zwischen den Neuronen: Synapse

 

Wo das Axon eines Neurons auf die Dendriten eines weiteren Neurons trifft, findet die Übertragung von Signalen statt. Diese Verbindungsstelle zweier Neurone nennt man Synapse. Eine Synapse ist quasi das WhatsApp der Nervenzellen. Ihr Text besteht aus chemischen Botenstoffen wie Dopamin oder Serotonin. Synapsen sind die Grundlage für eine Kommunikation zwischen den einzelnen Neuronen und damit auch Grundlage für neuronale Netzwerke.

Synapsen bestehen aus:

• einem synaptischen Spalt: das ist die Lücke zwischen dem Axon des einen Neurons und einem Dendriten eines anderen Neurons
• der Präsynapse: Das ist der Teil vor dem synaptischen Spalt. Also meist das Axon des sendenden Neurons. Hier liegen schon kleine Bläschen bereit, die mit dem jeweiligen Botenstoff der Nervenzelle gefüllt sind. 
• der Postsynaps: Liegt hinter dem synaptischen Spalt. Meist ein Dendrit der empfangenden Nervenzelle. 
  

Stark vereinfachte Darstellung einer Synapse. Gelb die Präsynapse (das Axon). Blau die Postsynapse (ein Dendrit).

Ein Beispiel für eine Kommunikation, bei der nur eine einzige Synapse im Spiel ist, ist der Kniesehnenreflex. Trifft die Handkante (oder ein Reflexhammer) auf die Kniesehne, werden die Sehne und der daran hängende Oberschenkelmuskel minimal gedehnt. Ein Sensor im Muskel nimmt diese Dehnung auf und sendet die Information über eine Synapse direkt an die Nervenzelle, die den Oberschenkelmuskel anspannen lässt. Man bezeichnet den Kniesehnenreflex deshalb auch als “monosynaptischen Reflex” (mono = eins).

^{Den Kniesehnenreflex kann man leicht Zuhause überprüfen. GIF: via Giphy}

Genug zur Anatomie – wie funktioniert nun die Kommunikation zwischen den Nervenzellen?

Beginnen wir dafür im synaptischen Spalt zwischen zwei Nervenzellen:
Nervenzelle 1 schüttet Botenstoffe (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt aus. Dopamin, Serotonin oder Acetylcholin sind Beispiele für solche Botenstoffe. Sie binden an den Dendriten von Nervenzelle 2, genauer gesagt an die postsynaptische Membran des Dendriten. 

Die Bindung des Botenstoffs führt dazu, dass sich kleine Kanäle in der postsynaptischen Membran öffnen. Durch diese Kanäle können dann geladene Teilchen (Ionen) in die Dendriten gelangen. Solche geladenen Teilchen sind zum Beispiel Kalium, Natrium oder Chlorid. Sie führen dazu, dass die postsynaptische Membran etwas “positiver” oder etwas “negativer” geladen wird. Kalium zum Beispiel ist ein positiv geladenes Teilchen. Wenn der Botenstoff im synaptischen Spalt also zur Öffnung von Kaliumkanälen führt, dann wird die postsynaptische Membran positiver. Chlorid hingegen ist negativ geladen und führt dazu, dass die Membran negativer wird. 

Egal ob positiv oder negativ – die Spannungsänderung fließt von der postsynaptischen Membran über den Dendriten Richtung Axonhügel. Dendriten senden ihre Botschaften also in Form kleiner Spannungsänderungen.

Axonhügel

Wenn nur ein einziger Dendrit einmal so eine Botschaft überbringt, ignoriert der Axonhügel das meist einfach. Wenn euch jemand fragt “Kannst du mal das Geschirr abwaschen?”, springt ihr ja auch nicht direkt auf (falls doch: Chapeau!).

Was ist aber, wenn euch diese Person jede Minute wieder fragt: “Kannst du mal das Geschirr abwaschen?”. Oder wenn plötzlich noch drei weitere Personen dazu kommen, die das auch fragen: “Kannst du mal das Geschirr abwaschen?”. Vermutlich geht euch das irgendwann so “auf die Nerven”, dass ihr aufsteht und das Geschirr abwascht. 

Genauso macht das die Nervenzelle auch. Wenn entweder sehr viele Dendriten oder aber ein Dendrit sehr schnell hintereinander die gleiche Botschaft überbringen, dann wird am Axonhügel ein Aktionspotential ausgelöst. 

Dafür muss aber erst ein bestimmter Schwellenwert erreicht werden. Schickt zum Beispiel ein Dendrit eine positive Spannungsänderung, ein anderer Dendrit aber eine negative Spannungsänderung („du kannst das Geschirr auch einfach später spülen“), so heben sie sich gegenseitig auf. Der Axonhügel verrechnet also alle einkommenden negativen und positiven Signale miteinander. Erst wenn die Summe aller eingehenden Signale den Schwellenwert erreicht, wird ein Aktionspotential ausgelöst.

Dabei gilt das “Alles-oder-nichts-Prinzip”: Wird der Schwellenwert am Axonhügel nicht erreicht, passiert “nichts”. Wird er hingegen erreicht, wird ein Aktionspotential ausgelöst (“alles”). Dabei ist es dann ganz egal, ob der Schwellenwert gerade eben erreicht oder um ein Vielfaches übertroffen wurde – das entstehende Aktionspotential ist immer gleich. Um bei dem vorherigen Beispiel zu bleiben: Wenn ihr euch einmal für das Abwaschen entschieden habt, dann wascht ihr auch das ganze Geschirr. Und nicht nur einen Teller, weil nur eine Person genervt hat oder zwei Teller, wenn zwei Personen genervt haben. Alles oder nichts – ein dazwischen gibt es nicht.

Was ist ein Aktionspotential?

Wird der Schwellenwert am Axonhügel erreicht, öffnen sich (wieder einmal) Kanäle für geladene Teilchen (Ionen). Das führt dazu, dass die normalerweise negativ geladene** Zellmembran an dieser Stelle kurzzeitig positiv wird. 

Ein Aktionspotential läuft immer gleichförmig ab, weil nacheinander spannungsabhängige Kanäle geöffnet und geschlossen werden. Die “Stärke” eines Aktionspotentials ist deshalb auch immer gleich – Stichwort “Alles-oder nichts-Prinzip”. 

Das Aktionspotential breitet sich auch auf die benachbarte Zellmembran aus. Und hier folgt ein weiterer Trick der Natur: Das Axon ist von sogenannten Myelinscheiden umhüllt, die eine Art Isolierung bieten. In regelmäßigen Abständen ist diese Isolierung unterbrochen: an den Ranvier’schen Schnürringen. Diese Bauweise ermöglicht, dass die Aktionspotentiale nur an den unterbrochenen Stellen entstehen. Auf diese Weise “springt” das Aktionspotential das Axon entlang bis zur Präsynapse.  


Nochmal das Bild von oben: Das Aktionspotential “springt” von Schnürring zu Schnürring. Quelle: Unknwon author, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

<sup>**Genau genommen kann man nicht sagen, dass die Zellmembran “negativ geladen” ist. Man schaut sich viel mehr die “Spannungsdifferenz” zwischen dem Inneren der Zelle und dem äußeren freien Raum an. Also den Unterschied in der Menge geladener Teilchen zwischen Außen und Innen. Die Beschreibung dient hier lediglich der Vereinfachung.

Die Synapse

Hier, im Bereich der Präsynapse, liegen sogenannte spannungsgesteuerte Calciumkanäle. Spannungsgesteuert heißt, dass sie sich öffnen, wenn die Oberflächenspannung sich ändert – zum Beispiel durch ein ankommendes Aktionspotential. Durch den offenen Kanal können dann Calcium-Teilchen in die Präsynapse einströmen. Der Calciumeinstrom wiederum führt dazu, dass die kleinen Bläschen mit den Botenstoffen, die ja schon vorbereitet in der Zelle umherschwirren, durch die Zellmembran wandern und die Botenstoffe in den synaptischen Spalt freisetzen.</sup>

Hier sind wir also wieder am Ausgangspunkt der Erklärung angekommen – im synaptischen Spalt. Die Botenstoffe binden wieder an die Rezeptoren des nächsten Dendriten, Kanäle öffnen sich und das ganze Spiel beginnt von vorn.

Nach einiger Zeit lösen sich die Botenstoffe übrigens wieder von den Rezeptoren, ansonsten gäbe es ja eine dauerhafte Erregung der Nervenzelle. Die Botenstoffe werden dann entweder von der Präsynapse wieder aufgenommen oder von einer Müllabfuhr in Form von Enzymen abgebaut. 

Nochmal zusammengefasst: Das elektrische Signal des Axons wird an der Synapse in ein chemisches Signal umgewandelt, um dann am Dendriten der nächsten Nervenzelle wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden. Diese Übertragung dauert etwa eine Millisekunde.

Übrigens: Wenn man weiß, wie chemische Synapsen funktionieren, dann ist auch die Wirkung von Medikamenten gegen Depressionen verständlich. Diese Medikamente sind nämlich häufig “Serotonin”- oder auch “Noradrenalin”-Wiederaufnahmehemmer. Serotonin und Noradrenalin sind beides Botenstoffe, die eher aktivierend und stimmungsaufhellend wirken. Normalerweise werden sie aus dem synaptischen Spalt wieder in die Präsynapse aufgenommen. Antidepressive Medikamente hemmen genau diese Aufnahme jedoch. Dadurch bleiben die Botenstoffe länger im synaptischen Spalt verfügbar.

Es geht auch anders

Neben den oben beschriebenen chemischen Synapsen gibt es nämlich noch eine andere Art von Synapsen: elektrische. Diese erwähnt man neben ihren berühmten chemischen Artgenossen meist gar nicht. Zu Unrecht, denn auch wenn elektrische Synapsen bisher weitaus weniger erforscht sind, kommen auch sie in allen Teilen des Gehirns vor. Außerdem funktionieren elektrische Synapsen schneller, weil keine Umwandlung elektrisch-chemisch-elektrisch stattfinden muss. Voraussetzung dafür ist aber, dass der synaptische Spalt um ein vielfaches kleiner ist, damit die elektrische Erregung von einer Nervenzelle zur nächsten “springen” kann.

Neuronales Netz

Das neuronale Netz ist nun nichts anderes als eine Gruppe von Neuronen, die miteinander kommunizieren und auf diese Weise eine bestimmte Funktion ausüben. Jedes Neuron gibt dabei Informationen an beliebig viele andere Neuronen weiter und erhält gleichzeitig Signale von beliebig vielen anderen Neuronen. Schnittstellen sind immer die Synapsen. 

Dieses neuronale Netz wird aber nicht etwa einmal geknüpft und dann für immer so belassen. Vielmehr ist es im Laufe des Lebens in ständiger Veränderung. Man spricht von neuronaler Plastizität: Neue Verbindungen zwischen Synapsen werden geschaffen (z.B. wenn wir etwas Neues lernen) und bestehende Verbindungen gekappt. Wird eine Synapse sehr häufig benutzt, verändert sich zudem ihre Struktur. Zum Beispiel werden mehr Rezeptoren an der postsynaptischen Membran eingebaut oder die Menge an ausgeschütteten Botenstoffen erhöht sich. Dadurch verbessert sich die synaptische Übertragung. Diesen Mechanismus bezeichnet man als Langzeitpotenzierung. Sie ist vermutlich die Grundlage dafür, dass wir Dinge erlernen oder langfristig im Gedächtnis abspeichern können, wenn wir sie in regelmäßigen Abständen wiederholen. Andersherum werden nicht genutzte Verbindungen mit der Zeit immer schwächer

Mehr Sport = mehr Hirn?

Durch die neuronale Plastizität werden aber nicht nur neue Verbindungen zwischen bereits bestehenden Neuronen geschaffen und verstärkt. Vielmehr werden auch komplett neu gebildete Neuronen an das bestehende Netz angeschlossen. 

Lange Zeit ging man davon aus, dass im Erwachsenenalter keine neuen Neurone mehr gebildet werden können. Inzwischen ist man der Meinung, dass das sehr wohl möglich ist und auch regelmäßig passiert. Das Phänomen nennt man “adulte Neurogenese”. Vor allem im Hippocampus, dem zentralen Ort für die Entstehung neuer Erinnerungen, kommt es wohl zur regelmäßigen Neubildung von Nervenzellen. Und wir können diese Neubildung vermutlich sogar selbst beeinflussen: So soll Stress die Neubildung eher behindern, während Sport sie begünstigt. Forschung in diesem Bereich wird zukünftig hoffentlich weitere Erkenntnisse über dieses spannende Thema bringen.