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Die Interpretation von Hirnsignalen Ein aktuelles Thema für den interdiziplinären Unterricht. Christian Eurich. LIS / Kippenberg-Gymnasium Institut für Theoretische Physik Universität Bremen. Inhalt. Teil I: Neurowissenschaften heute – Chancen und Risiken (Relevanz; Biologie)
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Die Interpretation von Hirnsignalen Ein aktuelles Thema für den interdiziplinären Unterricht Christian Eurich LIS / Kippenberg-Gymnasium Institut für Theoretische PhysikUniversität Bremen
Inhalt • Teil I: Neurowissenschaften heute – Chancen und Risiken(Relevanz; Biologie) • Teil II:Mathematische Aspekte • Teil III:Ein Projekt in Klasse 12
Psychologie Jura Physik Philosophie Mathematik Ingenieur-wissenschaften Informatik Teil I: Die Neurowissenschaften heute • Wissenschaft, die sich mit dem Aufbau, der Funktionsweise und den Leistungen von Gehirnen beschäftigt Biologie Medizin Neurowissenschaften
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) Dendriten Zellkörper Nerven-faser Synapse
Aktionspotentiale (Spikes) • Elektrische Impulse in der Nervenfaser • Im Modell: Nervenfaser
Messung der Aktivität von Zellen • Mikroelektroden • Heute: > 100 Zellen gleichzeitig (Hoag 2003) Serie von Aktions-potentialen (Spiketrain)
Arbeitsprogramm • Zusammenhänge zwischen Hirnaktivität und Wahrnehmung, Handlungen und inneren Zuständen
Beispiel: Handbewegungen Wessberg et al., Nature 408 (2000) 361
Beispiel: Armbewegungen Wessberg et al., Nature 408 (2000) 361
Chancen: Motorische Neuroprothesen • Robotersteuerung funktioniert auch ohne reale Handbewegungen... E. N. Brown, Harvard Medical School
DARPA National Science Foundation / Department of Commerce, Conference „Converging Technologies for 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)
Prof. Shimoyama, Bio-Robot Research Team, Tokyo University: „Roboroach“ Kakerlake mit Implantat Associated Press, Juli 2001 Anwendungen • „[...] a guided rat can be developed into an effective `robot´ […]“ • Suche nach Verschütteten • Minenräumung(!) • Spionage
Das stochastische Gehirn • Reaktion einer Nervenzelle istnicht immer gleich! (Daten von S. Mandon)
Wahrscheinlichkeitsrechnung (Kl. 12) • Neuronaler Code: Zähle bei jeder Versuchswiederholung die Anzahl der Aktionspotentiale • Rekonstruktion von Reizen indrei Schritten:1. Messung der Statistik der Neuronen2. Eine einzelne Messung bei unbekanntem Reiz a3. Schätzung des Reizes a
Schritt 1: Statistik eines Neurons • Zufallsexperiment: Messung (bei geg. a) • Elementarereignisse:0, 1, 2, ... , n Aktionspotentiale • Absolute / relative Häufigkeiten
Schritt 1: Statistik eines Neurons • Modellierung der Statistikbei bekanntem Mittelwert np:Binomialverteilung
Schritt 1: Statistik eines Neurons p p • Binomialverteilungen für verschiedene Winkel a:verschiedene Werte von p
Schritt 2: Eine Messung • Durchführung einer einzelnen Messung mit unbekanntemReiz a • Resultat z. B.: k=5 Aktionspotentiale
Schritt 3: Rekonstruktion • Schätzung von afür die Messung k=5: • Trageals Funktionvon aauf: Die Stelle des Maximumsliefert den Schätzwert!Maximum-Likelihood-Schätzung
Teil III: Projekt in Klasse 12 • Projektarbeit zweier Schüler • Fächer: Biologie, Mathematik, Deutsch 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
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