Neuronale Informationsverarbeitung

Alexander FrommSaskia Pohl

Gliederung 1. Das Neuron 2. ATP 3. Informationsgehalt und Bestimmung der Bit-Rate 4. Kosten der neuronalen Informationsverarbeitung 5. Spike Trains als Poisson-Prozesse 6. Input-Output Analyse 7. Rekonstruktion des ursprünglichen Inputs aus einem

Spike Train 8. Kosten der Infoübertragung bei Spikes 9. Ist Information teuer?

1. Das Neuron

Axon Dendriden Synapsen

Quelle: http://aes.cs.tu-berlin.de/voelz/PDF/Neuronal.pdf

1. Das Neuron: Ionenpumpe

Je Molekül ATP werden drei Na+-Ionen nach außen und zwei K+-Ionen nach innen befördert elektrisches Potential der Zellmembran

Quelle: http://www.u-helmich.de/bio/neu/1/11/112/vertiefung/vert01.html

2. ATP

Jedes der Sauerstoff-Atome hat negative Ladung

stoßen sich gegenseitig ab trotzdem muss Verbindung dieser

Tendenz standhalten Bündeln negativer Aufladung sorgt bei

der Spaltung für viel freiwerdende Energie. Bildquelle:

http://de.wikipedia.org/w/index.php?

title=Bild:Adenosintriphosphat_protoniert.svg&filetimestamp=200804

19200523

3. Informationsgehalt und Bestimmung der Bit-Rate

...

4. Kosten der neuronalen Informationsverarbeitung

Stoffwechselkosten für Photorezeptor• I: Rate, mit der Photorezeptor Informationen

überträgt • Messungen des Energiespektrums des Signals

S(f) und des Rauschens N(f)

dffNfSI

)()(1log

02

Energiekosten für sensorische Information:

sBitssMoleküleATP

ungsratensübertragInformatioVerbrauchsATPdesRate

1000

105,7 9

BitMoleküleATP

6105,7

4. Kosten der neuronalen Informationsverarbeitung

Stoffwechselkosten für Netzhaut-Neuron

• Verbrauch der Pumpe:

• Dividiert durch gemessene Bit-Rate:

4. Kosten der neuronalen Informationsverarbeitung

sMoleküleATP

99 101,4104,1

BitMoleküleATP

65 103109

Stoffwechselkosten für chemische Synapsen

• des LMC-ATP-Verbrauchs• Division von Verbrauch und Übertragungsrate eine chemische Synapse braucht

4. Kosten der neuronalen Informationsverarbeitung

13201

BitMoleküleATP

44 106102

4. Kosten der neuronalen Informationsverarbeitung

Quelle: Laughlin et.al. (1998): The metabolic cost of neural information

Bitrate contra Kosten

4. Kosten der neuronalen Informationsverarbeitung

Quelle: Laughlin et.al. (1998): The metabolic cost of neural information

5. Spike Trains als Poisson-Prozesse

...

8. Kosten der Informationsübertragung bei Spikes

Pumpe braucht

Sensorischer Spike: 1-10 Bits

Verbrauch:

SpikeMoleküleATP

6109

BitMoleküleATP

65 109109

9. Ist Information teuer? Schätzung des ATP-Konsums des

Photorezeptors der Fliege entspricht ca. 8% des gesamten Konsums der ruhenden Fliege

+ LMC-Verbrauch: insgesamt ca. 10% neuronale Informationsverarbeitung

ist energetisch teuer

10. Quellen

Fachbücher• Rieke, F., Warland, D., de Ruyter van Steveninck, R., and Bialek,

W., (1999). Spikes. A Bradford Book. MIT Press.

Artikel• Laughlin, S. B., de Ruyter van Steveninck, R. R., and Anderson, J.

C., (1998). The metabolic cost of neural information. Nature Neuroscience, 1(1):36-41

Internet• http://aes.cs.tu-berlin.de/voelz/PDF/Neuronal.pdf• http://www.u-helmich.de/bio/neu/1/11/112/vertiefung/vert01.html • http://de.wikipedia.org/w/index.php?

title=Bild:Adenosintriphosphat_protoniert.svg&filetimestamp=20080419200523

Danke fürs Zuhören!