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News: Wenn es rauscht im Gehirn

Signale werden im allgemeinen durch das Auftreten von Rauschen unerwünscht verfälscht. Manchmal kann Rauschen jedoch auch kleine Signale verstärken und sie dadurch erst nachweisbar machen. Nun haben Physiker den Bau eines elektronischen Modells beschrieben, das demonstriert, wie Rauschen eine entscheidende Rolle bei der Kommunikation zwischen Neuronen im Gehirn spielt. Nach Meinung der Wissenschaftler könnte es auch dort dabei helfen, die Signale von Zelle zu Zelle weiterzuleiten.
Wenn Hintergrundrauschen und ein schwaches Signal ähnliche Frequenzanteile haben, ergänzen sich beide und können die Signalstärke anheben. Wissenschaftler bemerkten diese "stochastischen Resonanzen" zum ersten Mal vor 20 Jahre: Spitzen in den jährlichen globalen Temperaturkurven wurden deswegen entdeckt, weil durch die Schwankungen in der Sonneneinstrahlung hervorgerufene "Rauschen" sie auffälliger hervortreten ließ. Seither wurden Signale, die durch Rauschen Unterstützung erhielten, in biologischen, elektrischen und chemischen Systemen beobachtet.

Um die Rolle des Rauschen in Systemen aus vielen vernetzten Komponenten – wie dem Gehirn – zu untersuchen, haben Markus Locher, David Cigna und Earle Hunt, Physiker an der Ohio University in Athens, einen elektronischen Schaltkreis aus 32 Dioden aufgebaut. Dioden funktionieren ein bißchen wie Staudämme: Das Signal kann nur durch eine Diode durchfließen, wenn es über einer bestimmten Schwelle liegt. In einer früheren Arbeit hatte das Team gezeigt, daß das Hinzufügen von Rauschen zu dem Schaltkreis als Ganzem Signale in allen Elementen gleichzeitig verstärken kann. Aber sie fragten sich, ob das Addieren von Rauschen zu jeder einzelnen Diode auch eine Art Dominoeffekt erzeugen und einem individuellen Signal helfen könnte, von einem Element im Schaltkreis auf ein anderes zu springen.

Um dies herauszufinden rüstete das Team die Dioden so aus, daß sie als hohe Dämme dienten, die den Signaldurchfluß vollständig blockierten. Dann fügten sie dem Signal ein wenig Rauschen hinzu, bevor es durch jede Diode hindurchging. Dabei entdeckten sie, daß eine kontrollierte Menge an Rauschen dem Signal ausreichend Energie verlieh, um sich trotz der Barrieren von einer Diode zu nächsten zu schieben (Ausgabe der Physical Review Letters vom 8. Juni 1998). Zu wenig Rauschen, sagt Locher, und das Signal schafft es nicht. Zu viel Rauschen dagegen verzerrt und verfälscht das Signal.

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