Ein einzelnes Neuron kann ein Supercomputer sein, zeigt eine chinesische Studie

Jahrzehntelang war das Standardbild davon, wie das Gehirn denkt, ein Netzwerk aus vielen einfachen, punktförmigen Neuronen, die Signale weitergeben, bis irgendwie Berechnung entsteht. Eine neue Studie chinesischer Forscher stellt dieses Bild infrage: Ein einzelnes Neuron, so argumentieren sie, ist keineswegs ein einfacher Knoten. Seine verzweigten Dendriten kommen einem „Supercomputer“ gleich, der eigenständig fortgeschrittene kognitive Berechnungen ausführen kann.

Die Arbeit stammt von einem Team unter der Leitung von Xu Ninglong, einem Forscher am Exzellenzzentrum für Hirnwissenschaft und Intelligenztechnologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften mit Sitz in Shanghai. Die Ergebnisse wurden am 16. Oktober online in Science veröffentlicht, einer der meistzitierten allgemeinen wissenschaftlichen Fachzeitschriften der Welt.

„Es ist wie die Arbeit mehrerer miteinander vernetzter Computer – ein einzelner ‚Dendriten‘-Supercomputer kann das erledigen“, sagte Xu laut einem Bericht der Science and Technology Daily, der Zeitung des chinesischen Ministeriums für Wissenschaft und Technologie. Dendriten sind die baumartigen Verzweigungen, die vom Zellkörper eines Neurons ausgehen und eingehende Signale empfangen – ein vertrautes Merkmal jeder Darstellung einer Nervenzelle.

Im traditionellen Modell summiert ein Neuron die an seinen vielen Synapsen eintreffenden Signale und feuert, wenn die Summe einen Schwellenwert überschreitet – eine recht bescheidene Aufgabe für jede Zelle, wobei die eigentliche Intelligenz aus einer Vielzahl von Verbindungen entsteht. Die neue Forschung legt nahe, dass die Dendriten selbst eine substanzielle Verarbeitung durchführen, bevor ein Signal den Zellkörper erreicht, und effektiv eine Berechnung innerhalb einer einzelnen Zelle ausführen.

Die Implikationen reichen über die Grundlagen der Neurowissenschaft hinaus. Zu verstehen, wie biologische Neuronen so effizient rechnen, ist eine langjährige Inspiration für Informatikingenieure, die leistungsfähigere und energieeffizientere Maschinen bauen wollen, und für Forscher, die Lernen, Gedächtnis und neurologische Erkrankungen auf der Ebene einzelner Zellen verstehen wollen.

Der Befund passt auch zu einem breiteren Muster in der chinesischen Hirnforschung, wo Forscher stark in Bildgebungs-, Aufzeichnungs- und Modellierungstechniken investiert haben, die es ermöglichen, lebende Neuronen bei der Arbeit zu beobachten. Um Berechnung innerhalb eines einzelnen Dendriten zeigen zu können, sind sowohl ausgefeilte Experimente als auch ernsthafte theoretische Modellierung erforderlich.

Die Studie wurde in den chinesischen Medien als eine der führenden Wissenschaftsgeschichten des Tages gemeldet und als eine Neufassung einer Lehrbuchannahme und nicht als inkrementelles Ergebnis dargestellt. Für ein allgemeines Publikum ist die Botschaft einfach: Die Bausteine des Gehirns sind möglicherweise viel intelligenter, als das Standarddiagramm vermuten lässt, und die Grenze zwischen „einer Zelle“ und „einem Netzwerk“ ist verschwommener, als Wissenschaftler einst dachten.

Fragen bleiben, wie bei jedem neuen Ergebnis. Wie weit verbreitet diese dendritische Berechnung über Hirnregionen und Arten hinweg genutzt wird und wie sie zum tatsächlichen Verhalten beiträgt, wird Jahre der Nachfolgeforschung erfordern. Aber die Behauptung selbst ist bemerkenswert: Wenn ein einzelnes Neuron eine kognitive Berechnung ausführen kann, dann stellen die geschätzten Dutzenden Milliarden Neuronen des Gehirns eine weit größere Rechenleistung dar, als das alte Modell ihnen zubilligte.