Echte, biologische Neuronen

Aufbau eines biologischen Neurons

Eine Nervenzelle (Neuron) ist eine Zelle, die darauf spezialisiert ist, Erregungen in Form von elektrischen Signalen im Körper weiterzuleiten und/oder zu verarbeiten.

Im folgenden werden die Zusammenhänge (extrem stark vereinfacht) dargestellt. Die biologischen und biochemischen Details sind extrem kompliziert, auch gibt es viele unterschiedliche Typen von Nervenzellen. Da vieles davon für die informatischen Überlegungen jedoch kaum eine Rolle spielt, wird hier ein nur sehr grober Überblick vermittelt.

Am Zellkörper des Neurons befinden sich verschiedene verästelte Fortsätze. Wegen der Ähnlichkeit zu einem Baum werden diese Dendriten (griech. δένδρον, dendron: Baum) genannt. Außerdem verlässt auch ein einzelner besonderer Fortsatz den Zellkörper, das so genannte Axon.

Über die Dendriten kann ein Neuron Signale vieler anderer Neuronen aufnehmen, über das Axon gibt es Signale an die Dendriten anderer Neuronen weiter. Die Verbindungsstellen zwischen dem Axon und den Dendriten der nachfolgenden Neuronen, nennt man Synapse (griech. σύν, syn: zusammen; ἅπτειν, haptein: greifen, fassen, tasten),

Signalverarbeitung in einem Neuron

Durch elektrochemische Prozesse baut sich zwischen dem Zellinneren und dem Zelläußeren eine Spannung auf, man spricht vom Erregungspotential. Andere Neuronen, die über die Synapsen mit den Dendriten des Neurons verbunden sind, beeinflussen dessen Erregungspotential. Erst wenn dieses eine bestimmte Höhe übersteigt, wird (zumindest bei einigen Arten von Neuronen) im Axon ein kurzer elektrischer Impuls, also eine zeitliche Schwankung der elektrischen Spannung, erzeugt, ein so genanntes Aktionspotential, das sich durch das Axon hinweg zu den nachfolgenden Nervenzellen hin bewegt. Deren Erregungspotentiale werden dann wiederum über Synapsen von diesem Aktionspotential beeinflust. Die Signalübertragung zwischen einzelnen Neuronen an den Synapsen erfolgt meist durch die Freisetzung bestimmter chemischer Botenstoffe, so genannte Neurotransmitter. Dazu gehört z.B. das als Geschmacksverstärker bekannte Glutamat. Neurotransmitter können entweder erregende oder hemmende Wirkung auf das folgende Neuron haben. Das bedeutet: Die Aktivität eines Neurons kann die Erregung des nachfolgenden Neurons je nach Art der Synapsen erhöhen oder aber auch abschwächen. Man spricht von erregenden oder hemmenden Synapsen.

Durch das zeitliche Zusammenspiel der verschiedenen Potentiale und der Vorgänge an den Synapsen entstehen bei realen Netzwerken aus Nervenzellen (auch für Fachleute) extrem schwer zu verstehende Muster von Aktionspotentialen in Raum und Zeit.

Weil die Vorgänge an echten Neuronen extrem schwer verständlich sind, haben Informatiker stark vereinfachte mathematische Modelle für Neuronen und Synapsen erfunden, um einfache Informationsverarbeitungsprozesse in Neuronalen Netzen nachzubilden -- ähnlich wie ein Flugzeug nur ganz bestimmte Eigenschaften eines Vogels in vereinfachter Form nachbildet.