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Künstliche Nerven reagieren wie die echten
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Bielefelder Physiker weisen übereinstimmende Eigenschaften nach
Archiv | 21.01.2012 | Selbst Superrechner sind nicht so effizient wie das menschliche Gehirn. Weltweit versuchen Wissenschaftler daher, Nervenzellen künstlich nachzubauen, um zu verstehen, wie Gehirne arbeiten, und um künftig leistungsfähigere Computer bauen zu können. Physiker der Universität Bielefeld haben jetzt gezeigt, dass eine neue Sorte von mikroskopisch kleinen Elektronikbauteilen – die Memristoren – in der Lage ist, wesentliche Eigenschaften von natürlichen Nerven zu imitieren.
Damit
bestätigen die Forscher die Annahme, dass Memristoren zum Bau
künstlicher Gehirne und Nervensysteme genutzt werden können. Ihre
Ergebnisse veröffentlichen die Wissenschaftler heute (17. Januar) in der
Print-Ausgabe der angesehenen Fachzeitschrift „Advanced Materials“.
Memristoren gelten in der Elektrotechnik als neue Hoffnungsträger. Erst
2008 wurde der erste Memristor entwickelt, obwohl er theoretisch schon
in den frühen Siebzigern erdacht wurde. Bauteile dieser Art bestehen zum
Beispiel aus Drähten in Nanogröße. Diese Nanodrähte leiten Strom
unterschiedlich stark. Wie gut sie leiten beziehungsweise wie stark ihr
Widerstand ist, das hängt unter anderem davon ab, wie stark der Strom
war, der in der Vergangenheit durch sie geflossen ist und wie lange
dieser Strom auf sie einwirken konnte. Das ist die Besonderheit eines
Memristors: Er lernt und merkt sich seine „Geschichte“ – und das auch
dann, wenn der Strom abgeklemmt ist.
Ein Memristor funktioniert damit so ähnlich wie ein „Bauteil“ im
menschlichen Gehirn, über das die Nervenzellen miteinander in Kontakt
treten: die Synapse. Auch diese „Brücke“ zwischen den Nervenzellen wird
stärker, je öfter sie beansprucht wird: Wenn eine Nervenzelle eine
andere Nervenzelle langandauernd und wiederholt erregt, dann verändert
sich dadurch die Synapse und die Übertragung des Signals wird
effizienter.
Wissenschaftler wollen die Ähnlichkeit zwischen Synapsen und Memristoren
zum Beispiel nutzen, um Computer zu konstruieren, die ähnlich schnell
und stromsparend wie das menschliche Gehirn arbeiten. Ein erster Schritt
zu solchen künstlichen neuronalen Netzen ist dem Bielefelder
Experimentalphysiker Privatdozent Dr. Andy Thomas und seinen
Mitarbeitern Dr. Patryk Krzysteczko und Jana Münchenberger zusammen mit
Professor Dr. Günter Reiss gelungen. Bisher war unklar, ob mit der
Verstärkung des Signals im Memristor die Nervenzelle tatsächlich
imitiert werden kann: Wie stark muss der Strom sein und wann muss er
fließen, so dass sich die Leitfähigkeit des Memristors ändert? Die
Nachwuchsforschergruppe um Andy Thomas liefert in ihrer jüngsten
Veröffentlichung dazu nun entscheidende Messdaten.
Eine Nervenzelle erregt eine andere Nervenzelle, indem sie einen
schwachen Stromstoß an sie „abfeuert“. Solche Stromstöße nennen
Wissenschaftler „Spikes“. Die Bielefelder Forscherinnen und Forscher
haben nun gezeigt, dass ein „Spike“ eine bestimmte Zeit durch einen
Memristor geleitet werden muss, damit sich die Leitfähigkeit ändert. Mit
ihren Experimenten bestätigten die Wissenschaftler die Annahme, dass
die Übertragungsstärke von Memristoren bei Synapsen von früheren Spikes
abhängt.
Ihre Ergebnisse gingen aber noch über diesen Befund hinaus: Sie stellten
nicht nur fest, dass Memristoren wie Synapsen reagieren können – sie
fanden außerdem heraus, dass sie ähnliche Eigenschaften wie die
feuernden Nervenzellen aufweisen. Demnach zeigt der elektrische
Widerstand in den elektronischen Bauteilen einen Verlauf wie er in
ähnlicher Form in Nervenzellen vorkommt. Den Forschern zufolge springt
der Widerstand zwischen zwei festen Werten hin und her, entsprechend dem
Verlauf in natürlichen Nervenzellen.
Andy Thomas (Jahrgang 1975) lehrt und forscht an der Fakultät für Physik
der Universität Bielefeld. Nach einem zweijährigen Forschungsaufenthalt
am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, USA, kehrte er
2005 nach Bielefeld zurück, wo er sich 2009 habilitierte und eine
NRW-Nachwuchsforschergruppe leitet. Diese wurde im Oktober 2009
eingerichtet und wird über fünf Jahre mit einer Million Euro von
Forschungsministerium Nordrhein-Westfalen gefördert.
Die Forschung zu Memristoren an der Fakultät für Physik gehört zum
Forschungsschwerpunkt „Molekular- und Nanowissenschaften“ (Molecular and
Nano Sciences) der Universität Bielefeld. In diesem breiten Feld hat
sich die Universität mit einem fokussierten Profil an den Schnittstellen
zwischen Physik, Chemie, Biologie und Bioinformatik national und
international deutlich sichtbar positioniert. Die aktuellen Forschungen
reichen von Nanoschichten und Einzelmolekülprozessen bis hin zu
bakteriellen, pflanzlichen und tierischen Zellen. Sie werden durch
interdisziplinäre Kooperationen getragen und sind teilweise am Centrum
für Biotechnologie (CeBiTec) angesiedelt.
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