Folie 1

1
Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 6. Vorlesung Bionik II /
Biosensorik, Bioinformatik
Wie eine Nervenzelle funktioniert
Konstruktion eines künstlichen
Neurons
2
Künstler-Vision einer Nervenzelle
3
Aktionspotentiale
Feuernde Nervenzelle
4
Riechsinneszelle im Grubenkegel einer
Wanderheuschrecke
Antwort auf einen Duftreiz
107
104
103
102
106
105
10
5
!
?
6
Impulsfrequenz-Kodierung am Ausgang einer
Riechsinneszelle
7
Dendrit
Synapse
Soma
Nucleus
Axon
Myelin
Neuron - Biologische Bezeichnungen
8
Das Gehirn besitzt ungefähr 100 000 000 000
Nervenzellen
Technik Rekord 2 Milliarden Transistoren auf
einem Chip
Das Gehirn besitzt ungefähr 10 000 Synapsen
pro Nervenzelle
9
Synaptische Bläschen
Elektrisch gesteuerte Membran
Axon
Synapse
Encoder
Soma
Dendrit
Chemisch gesteuerte Membran
Synaptische Bläschen
Synapse
Materieller Aufbau einer Nervenzelle
10
Axon
Transmitter
Synaptische Bläschen
Synapse
Präsynaptisches Gitter
Synaptischer Spalt
Ionen -Tor
Postsynaptische Membran
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Transmitter
Na-Ionen
Tore öffnen sich
12
Transmitter
K-Ionen
13
VZ1-Verhalten
EPSP
IPSP
Zeitliche Form eines EPSPs und eines IPSPs
14
Axon
? PSP
Soma
Encoder
Dendrit
Stufen der Signalverarbeitung in einem Neuron
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Membrantypen
Axon
Dendrit
Die aufgeprägte positive Spannung zieht den
Stößel in die Spule hinein
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Transmittermolekül Acetylcholin
N
S
Magnet
Mechanisches Modell für ein Transmitter
gesteuertes postsynaptisches Ventil
Essigsäure
Acetylcholin-Esterase
Cholin
17
offen
geschlossen
m-Gate
Elektrisch gesteuerter Na-Kanal mit 2 Toren
Depolarisation
1. Das spannungsabhängige m-Gate ist zu, das
spannungs-unabhängige h-Gate ist offen. 2.
Depolarisation führt zu einer Konformationsänderun
g des m-Gates. Na-Ionen strömen in die Zelle. 3.
Die Aktivierung führt nach 1-2 ms zur Schließung
des Inaktivierungstores (h-Gate). Zeitschalter
1. 4. Repolarisation führt zum Schließen des
m-Gates. Beide Tore sind zu. 1. Die
Konformationsänderung des m-Gates führt nach 2-5
ms (Refraktärzeit) zur Öffnung des h-Gates.
Zeitschalter 2.
1
h-Gate
1 bis 2 ms
2 bis 5 ms
Repolarisation
18
Zur Erinnerung !
Rezeptor
Der Rezeptor stößt nach einer gegebene Zeitspanne
das angedockte Molekül wieder ab.
19
oder ein EPSP ?
Reiz elektrisch
chemisch !
-70mV? -50mV
Wiederholung
20
Elektrisch gesteuerte Membran
Depolarisierung
Axon
mV
-70
-45
Fortleitung eines Nervenimpulses
21
Elektrisch gesteuerte Membran
Fortleitung eines Nervenimpulses
22
Zündschnur
Dominosteine
Analogien zur Impulsfortleitung in einer
Nervenfaser
23
Signalverlauf am Axonhügel (Encoder)
Das Verhalten des Axonhügels wird durch eine
elektrisch gesteuerte Membran bestimmt !
Signalverarbeitung in einer Nervenzelle
24
Die Größe der Synapse bestimmt die Zeitkonstante
(für zeitliche Summation)
Die Entfernung der Synapse vom Axonhügel bestimmt
die Potenzialhöhe (für räumliche Summation)
Evolutionsfähigkeit eines
Neuronennetzwerkes
25
Soma
Encoder
Gewichtung
VZ1-Glied (Kurzzeitspeicher)
U
Technischer Nachbau eines Neurons
26
VZ1
VZ1
U
?
F
VZ1
F
Bionik-Neuron
U
Das Berliner Neuronenmodell
27
VZ1 Verzögerungsglied 1. Ordnung
Berechnung der Abklingkurve
heuristisch
exakt

h0
h (t )
v
Hydromechanisches VZ1-Verhalten
28
fe
VZ1-Verhalten
-50mV
-70mV
fa
Impulsvervielfachung
Refraktärzeit
.
fa
n fe

Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron
29
Wenn zwei Impulse zu gleichen Zeit erscheinen
werden sie durch richtige Einstellung der
Neurovariablen wieder zu zwei Impulsen getrennt
!!!
fe1
fe2
-50mV
-70mV
fa
Impulsaddition
fe1
fe2
fa


Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron
30
fe1
fe2
-50mV
-70mV
fa
Impulsmultiplikation
.
.
fa
fe1
fe2

k
sehr klein
Mögliche Rechenoperation mit einem Neuron
Text
31
Impulsverarbeitung in einem Neuronalen Netz
32
Angenommen, H1 feuert. Dann wird H2 gehemmt.
Damit fällt die Hemmung von H3 weg. H3 beginnt zu
feuern und hemmt H1. Neuron H1 hört auf zu feuern
usw.
H1
H2
E
H3
Hemmung größer als Erregung !
Inhibitorischer Neuronenring
33
Die Impulsfolge 2, 3, 4 läuft stabil
entgegengesetzt der Verschaltungsrichtung im
Neuronenring herum
H1
H2
E
H3
Hemmung größer als Erregung !
Inhibitorischer Neuronenring
34
Ende
www.bionik.tu-berlin.de
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Zum Praktikum der Vorlesung Bionik II

• Vorschläge für Hausaufgaben
• Neuste Entwicklungen auf dem Gebiet des
  DNA-Computing
• Vorschläge für besonders exotische Biosensoren
• Beispiele für die Anwendung Neuronaler Netze
  heute
• Konstruktion verschachtelter Neuronenringe
  (Computersimulation)
• Belehren einfacher Neuronaler Netze mit der
  Evolutionsstrategie
• Suche nach einem Katalysator, der einen
  Katalysator synthetisiert

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Zur möglichen Multiplikationsoperation in einem
Neuron Die Frequenz fe1 sei auf einem
Oszilloskop zum Stehen gebracht (Triggerung). Die
Impulse von fe2 ziehen dann mit einer bestimmten
Geschwindigkeit an der stehen-den Impulskette von
fe1 vorbei. Immer wenn die Impulse übereinander
rutschen (Koinzidenz) entsteht am Axonhügel ein
Ausgangsimpuls. Denn nur beide Impulse zusammen
führen am Axonhügel zu einer summarischen
Spannung gt -50 mV. Wird nun die Frequenz fe2
verdoppelt, entstehen doppelt so häufig
Koinzidenzen. Die Ausgangsfrequenz fa verdoppelt
sich. Wird anders herum z. B. fe1 verdreifacht,
ver-dreifacht sich auch die Zeit der Koinzidenz
usw. Die Eingangsimpulsfrequenzen werden also
miteinander multipliziert, wobei der Faktor k
klein ist. Damit auch bei einem ganzzahligen
Verhältnis der beiden Eingangsfrequenzen die
Multiplikation funktioniert, müssen die
Frequenzen leicht gestört sein.