Synapsen – die Verbindungen zwischen Neuronen – sind bemerkenswert effizient bei der Informationsübertragung. Eine neue Studie unter der Leitung von James Stone zeigt, dass diese Effizienz mit einem einfachen Modell aus der Informationstheorie vorhergesagt werden kann, ohne anpassbare Parameter. Die auf arXiv veröffentlichte Arbeit baut auf früheren Erkenntnissen auf, dass synaptisches Rauschen bei einem gegebenen Energiebudget minimiert wird, und zeigt, dass Synapsen natürlicherweise mit dem Signal-Rausch-Verhältnis arbeiten, das die Information pro Energieeinheit maximiert.
Die Forschung
Aufbauend auf Beobachtungen von Harris et al. (2015), dass Synapsen so viele Bits pro Joule wie möglich übertragen, wenn die Leitfähigkeit auf ihrem natürlichen Wert liegt, fragte Stone, warum die Effizienz so schnell abfällt, wenn sich die Leitfähigkeit ändert. Er kombinierte diese Arbeit mit einer Studie von Malkin et al. (2026), die eine minimale Energiegrenze für die synaptische Übertragung fand. Indem er diese Grenze in Begriffen der Shannon'schen Informationstheorie (Shannon, 1949) ausdrückte, zeigte Stone, dass Synapsen mit Signal-Rausch-Verhältnissen arbeiten, die die Informationseffizienz maximieren. Das Modell sagt den von Harris et al. beobachteten Effizienzabfall über einen weiten Bereich von Leitfähigkeiten genau voraus. Entscheidend ist, dass das Modell aus der Biophysik abgeleitet ist und daher keine freien Parameter enthält – das bedeutet, dass die Anpassung nicht erzwungen ist, sondern sich aus physikalischen Prinzipien ergibt.
Warum es wichtig ist
Dieses Ergebnis unterstützt das übergeordnete Prinzip, dass sich das Gehirn im Laufe der Evolution auf maximale Effizienz entwickelt hat. Für den Durchschnittsmenschen unterstreicht es, dass selbst grundlegende neuronale Prozesse durch die Evolution optimiert sind. Zu verstehen, dass die synaptische Effizienz durch fundamentale Physik begrenzt wird, hilft zu erklären, warum bestimmte mentale Aufgaben energetisch kostspielig sind und warum Gehirntraining die Effizienz durch Stärkung synaptischer Verbindungen verbessern kann.
Was Sie tun können
Um die natürliche Effizienz Ihres Gehirns zu unterstützen, engagieren Sie sich in Aktivitäten, die die synaptische Plastizität fördern: Lernen Sie neue Fähigkeiten, treiben Sie regelmäßig aeroben Sport und achten Sie auf eine gesunde Ernährung mit Omega-3-Fettsäuren. Qualitativ hochwertiger Schlaf hilft auch, das Gelernte zu festigen und effizientes neuronales Feuern aufrechtzuerhalten.
Quelle: arXiv q-bio.NC
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