Neuronale Informationsverarbeitung Alexander Fromm Saskia Pohl.
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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!
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