De oscillatoren communiceren via memristors willekeurig met elkaar (afb: uni Kiel)

Na een korte tijd synchroniseren de oscillatoren hun impullsen (het vuren van hersencellen) (afb: uni Kiel)

Hoe de menselijke hersens werken is nog steeds verre van bekend en dat razendefficiënte en energiezuinige orgaan blijft ons mensen intrigeren. Nu hebben onderzoekers van de Christian-Albrechtuniversiteit in het Duitse Kiel met behulp van memristors een systeem gebouwd dat in staat is twee verschijnselen te produceren die ook aan onze hersens worden toegeschreven: synchronisering en geheugenvorming. Het uiteindelijke doel van hun onderzoek is neurale netwerken te bouwen die net zo efficiënt en energiezuinig werken als ons brein.

In menselijke hersens zouden zo’n 100 miljard cellen zitten. Die doen hun werk op een vermogen van slechts 20 Watt. Een menselijk rekentuig zou voor dezelfde prestatie tienduizenden maal meer energie verspijkeren.
Hersencellen zijn via zogeheten synapsen met elkaar verbonden en vormen een hoogst ingewikkeld netwerk. Die verbindingen zijn niet statisch, want we kunnen dingen leren, we nemen waar via onze zintuigen enzovoort en al die nieuwe indrukken moeten/kunnen worden vastgelegd in het lange geheugen. De hersens heten plastisch te zijn.
Naast het ruimtelijke aanpassingsvermogen van de neurale netwerken hebben onze hersens nog een belangrijke bouwsteen voor de gegevensverwerking: de synchronisering van de neurale verbindingen. Die verloopt via elektrische impulsen. Via die ‘stroomstoten’ wordt voortdurend informatie uitgewisseld tussen de neuronen (hersencellen). “Bij bewuste zintuigelijke waarnemingen verandert de chaos van impulsen plotseling en in de in tijd begrensde, geordende structuren”, zegt onderzoeker Thorsten Bartsch. De aanvankelijk onafhankelijke impulsen van de hersencellen synchronsieren zich over grote delen van het orgaan. Dat gesynchroniseerde vuren valt ook met behulp van een EEG te meten. Bartsch: “Er wordt al lang over gediscussieerd of het menselijke bewustzijn met die synchronisering is verbonden. Mogelijk ligt daar de sleutel voor een beter begrip van de hersenfuncties.”

Elektronische ‘hersens’

De onderzoekers hebben nu de twee principes die aan het functioneren van de hersens worden toegeschreven nagebouwd in een technisch systeem. De elementen in die elektronische ‘hersens’ zijn memristors (geheugenweerstanden). De weerstand van die elektronische elementen is afhankelijk van de elektrische stroom die er doorheen is gegaan. Daarmee zijn verschillende toestanden op te slaan. Het principe van geheugenweerstanden is al in 1971 bedacht, maar de feitelijke memristor kwam er pas in 2008.

In hun elektronische schakeling koppelden de onderzoekers twee escillatoren via geheugenweerstanden. Oscillatoren produceren periodiek een spanning en kunnen, in hersentermen gesproken, gezien worden als vurende neuronen. In het begin gebeurde dat vuren willekeurig. Door de adaptieve geheugenelementen (de memristors) synchroniseerden de oscillatoren hun trillingen na korte tijd en leken daarmee te opereren als echte hersencellen.
Dit is nog maar het begin van het onderzoek dat wordt gesubsidieerd door Duitse wetenschapsfondsen in het kader van het FOR 2093-project.

Bron: Futura-Sciences