Teil 2.7. Die sequentielle Speicherung von Daten im Cerebellum

 

Eine wichtige Voraussetzung für das Zeitgedächtnis ist die Möglichkeit, zwei Signale in der Reihenfolge ihres Auftretens zu rekapitulieren. Bereits im Geschichtsunterricht geht es oft darum: Was war zuerst, was war danach, was war zwischendurch?

Wir besitzen die Fähigkeit, wahrgenommene und erlernte Signale hinsichtlich ihres zeitlichen Auftretens zu analysieren. Daher begeben wir uns in diesem Abschnitt auf die Suche nach den materiellen Ursachen für diese Fähigkeit.

 

Die Ursache für die sequentielle Speicherung von Daten ist die Abspeicherung in der Reihenfolge ihres Auftretens. Das erste prägungsfähige Signal wird in der Startgruppe des Cerebellumclusters abgespeichert. Das zweite prägungsfähige Signal wird das Eigensignal der zweiten Purkinjegruppe. Das dritte gelangt in die dritte Gruppe usw.

Ein zu erkennendes Signal lauft entlang der Moosfasern von der Startgruppe zur zweiten, dritten, vierten Gruppe usw. Erkennt eine Gruppe dieses Signal als ihr Eigensignal, so meldet ihr positives Kernneuron die Signalerkennung dem Thalamus. Die Golgizelle am Gruppenende unterbricht die Signalweiterleitung auf den Moosfasern zu den Folgegruppen. Das negative Kernneuron der erkennenden Gruppe hemmt entweder das zentrale Verteilungsneuron für die sekundären Kletterfasern, so dass kein Kletterfaseraxon mehr aktiv ist und somit keine freie Purkinjegruppe das bereits erkannte Signal nochmals abspeichert. Oder im Falle der sequentiellen Verteilung des Kletterfasersignals wird das Verteilungsneuron der erkennenden Purkinjegruppe gehemmt, so dass die Folgegruppen allesamt kein Kletterfasersignal erhalten und somit das aktuelle – bereits erkannte – Signal nicht erlernen können. Alle vor der erkennenden Gruppe liegenden Purkinjegruppen erkennen ihr Eigensignal nicht, daher hemmen deren Purkinjezellen gemeinsam alle Eigensignaldetektoren, so dass diese nicht prägungsfähig sind. Dadurch wird auch bei der sequentiellen Verteilung des Kletterfasersignals keine Purkinjegruppe mehr mit diesem Signal geprägt.

Handelt es sich um Signal, welches nicht das Eigensignal der Startgruppe ist, so erkennt diese es nicht. Dadurch entfällt die Hemmung des Kletterfasersignals. So teilt die Vorgängergruppe (hier z. B. die Startgruppe) der Nachfolgergruppe mit, dass das anliegende Parallelfasersignal nicht ihr Prägungssignal ist, indem sie für die Nachfolgergruppe ein Kletterfasersignal generiert. Nunmehr kann die Nachfolgergruppe das aktuelle Signal analysieren. Erkennt sie es als ihr Eigensignal, so wird sie das an ihr anliegende Kletterfasersignal in der Olive hemmen und dem Thalamus die Signalerkennung melden. Erkennt sie das Signal nicht als ihr Eigensignal, so generiert sie für die Nachfolgergruppe ein Kletterfasersignal. Diese Nachfolgergruppe beginnt ebenso mit der Analyse und unterdrückt das Kletterfasersignal, weil sie ihr Eigensignal erkennt und es dem Thalamus meldet. Oder aber sie erkennt ihr Eigensignal nicht und generiert für die benachbarte Nachfolgergruppe ein Kletterfasersignal.

Dies setzt sich im Nichterkennungsfalle fort, bis die erste freie und ungeprägte Purkinjegruppe erreicht ist und das Kletterfasersignal ihre Prägung bewirkt, so dass das aktuelle Parallelfasersignal zum Eigensignal dieser Gruppe wird. Oder die Purkinjegruppen sind zahlenmäßig aufgebraucht, so dass kein neues Eigensignal mehr erlernt werden kann.

 

Dadurch bilden die Purkinjegruppen eine Kette, zu der eine Reihe von verschiedenen Eigensignalen gehört. Jedes (prägungsfähige) Outputsignal des Cortexclusters durchläuft diese Kette solange, bis eine Purkinjegruppe dieses Signal als Eigensignal erkennt oder dieses Signal eine freie und ungeprägte Purkinjegruppe erreicht und diese mit diesem Signal geprägt wird oder das Ende der Kette erreicht ist.

 

Entweder das prägungsfähige Cortexsignal ist bereits ein Eigensignal in der Kette der Purkinjegruppen und wird als erkannt gemeldet, oder die nächste freie Purkinjegruppe wird damit geprägt. Dies setzt sich solange fort, bis alle Purkinjezellen der Kette aufgebraucht sind.

 

Angesichts dieser Erkenntnisse definieren wir zwei neue Begriffe zur Schaffung von systemtheoretischer Ordnung.

 

Definition 2.6: Speicherkette/Signalkette eines Cerebellumclusters

 

Die Signalneuronen eines Cortexclusters projizieren auf eine Moosfaserpopulation eines zugehörigen Cerebellumclusters. Diese versorgt die Parallelfasern mit Signalen. Die Parallelfasern eines Clusters bilden eine Parallelfaserpopulation. Die von dieser Parallelfaserpopulation versorgten Purkinjegruppen bilden eine geordnete Kette. Diese bezeichnen wir als Speicherkette des Cerebellumclusters. Die den geprägten Purkinjegruppen zugeordneten Eigensignale bilden ebenfalls eine geordnete Kette von Signalen, die wir als Signalkette des Cerebellumclusters bezeichnen.

 

Nunmehr sollte der Lernvorgang des Cerebellums für Komplexsignale nachdrücklich aus systemtheoretischer Sicht präzisiert werden. Das Cerebellum erlernt Komplexsignale, die über die Moos- und Parallelfasern vom Cortex einströmen, nicht etwa aus einem inneren Antrieb, einer Neugier oder aus freien Stücken. Das Gegenteil ist der Fall. Das Cerebellum erlernt die verschiedenen (prägungsfähigen) Signale zwangsweise. Dafür sorgt der Algorithmus der Verkettung der einzelnen Speicherelemente. Hierbei ist die Purkinjegruppe die kleinste Speichereinheit. Sie kann genau ein Komplexsignal abspeichern. Und die erste Gruppe in der Kette erlernt ihr Komplexsignal zwangsweise, weil der Mittelwert dieses Komplexsignals zur Generierung des primären Kletterfasersignals genutzt wird. Dadurch brennt dieses primäre Kletterfasersignal das erste Komplexsignal des Lebewesens in die Startgruppe der Purkinjegruppen ein. Da gibt es keine Freiheit, keinen Lerndrang und keine Neugier. Das erste prägungsfähige Signal landet automatisch in der ersten freien Gruppe von Purkinjezellen, also in der Startgruppe.

Und das nächste neue (prägungsfähige) Signal wird in der Nachbargruppe „eingebrannt“. Dies erfolgt vollautomatisch. Jedes neue Signal wird innerhalb der Speicherkette in der nächsten freien Purkinjegruppe eingespeichert. Diese Speicherung neuer Signal erfolgt zwangsweise. Natürlich wird die Anzahl der freien Purkinjegruppen nicht unendlich groß sein. Und vielleicht sorgt ein intelligenter Löschalgorithmus (Schlaf) für die Löschung statistisch unbedeutender Signale.

Doch bevor wir uns diesem Gedanken zuwenden, soll das Prinzip der Zwangsprägung der Purkinjezellen als neues Theorem dieser Theorie formuliert werden.

 

Theorem 2.17: Theorem der Zwangsprägung von Komplexsignalen in der Speicherkette

 

Die Purkinjegruppen eines Cerebellumclusters werden vom eintreffenden Cortexoutput zwangsgeprägt. Jedes bisher nicht geprägte, aber hinsichtlich seiner Intensität und Dauer prägungsfähige Komplexsignal, welches sich von den bereits geprägten Eigensignalen des Cerebellumclusters hinreichend unterscheidet und welches die Parallelfasern des Cerebellumclusters über die Brückenkerne aus dem Cortex erreicht, führt in der ersten freien Purkinjegruppe zur Zwangsprägung und wird dadurch zu einem neuen Eigensignal dieser Gruppe.

 

Die spannende Frage beim jetzigen Stand der Theorie des Autors ist also nicht mehr die

Frage, wie wir etwas lernen, sondern die Frage, wie wir etwas vergessen.

Denn eine endliche Kette von Purkinjegruppen wird angesichts der vielen verschiedenen Komplexsignale, die auf ein Lebewesen allein an einem einzigen Tage einwirken, recht schnell in ihrer Kapazität erschöpft werden. Wie also ist das so wichtige Vergessen organisiert? Vielleicht wird diese Monografie die Antwort geben. Das Prinzip scheint sich dem Autor womöglich schon erschlossen zu haben.

 

Doch zuvor soll geklärt werden, wie das Cerebellum zeitliche Signalfolgen erlernt und wie ein bereits erwähnter „Videospeicher“ arbeiten könnte. Denn der Videospeicher ist viel besser geeignet, die „Freiräumung“ von Speicherplatz zu realisieren. Hier wird das Prinzip der Komprimierung möglich. Im auditorischen Bereich werden beispielsweise (sequentielle) Buchstabenfolgen, bei denen pro Buchstabe zunächst eine Purkinjegruppe erforderlich ist, dadurch komprimiert, dass z. B. „Silben“ als neue Komplexsignale verwendet werden. Wird die Buchstabenfolge in eine Silbenfolge transformiert, ist pro Silbe ebenfalls nur noch eine Purkinjezelle nötig. Dadurch wird die Silbenfolge im Vergleich zur Buchstabenfolge deutlich verkürzt. Führt man nun noch ganze Wörter als Komplexsignale ein und braucht pro Wort ebenfalls nur eine Purkinjegruppe, so verkürzt sich die Signalfolge (ohne Inhaltsverlust) nochmals sehr stark. Das Abspeichern ganzer Redewendungen, ja sogar längerer Gedichte in einem Ritt in einer einzigen Purkinjezelle macht bisher belegten Speicher in ungeahnter Speicherplatzgröße frei. Schließlich hat eine Purkinjezelle etwa 200.000 Synapsen. und jede steht für einen Binärwert. So könnte eine Purkinjezelle theoretisch eine Binärzahl mit 200.000 Dualziffern speichern.

In der Komprimierung liegt offenbar die Speicherreserve des Cerebellums.

Nötig ist also die Entwicklung einer neuronalen Schaltung, die genau dies vollautomatisch tut und die zudem noch die bereits erkannten Substrukturen des (menschlichen) Gehirns benutzt. Die Idee dazu existiert seit längerem, aber die Realisierung des Videospeichers brachte das Projekt etwas in Verzug. Erwähnt werden sollte hier im Vorgriff, dass die Speicherkomprimierung (nach Ansicht des Autors) eine Phase des Schlafes ist. Doch dazu später.

Zunächst soll der Videospeicher, genauer der Speicher für zeitlich sequentielle Komplexsignalfolgen näher erklärt werden. Wie immer handelt es sich um ein Modell. Doch der Autor versucht, dieses Modell an den bekannten neuronalen Realitäten auszurichten.

 


ISBN 978-3-00-037458-6
ISBN 978-3-00-042153-2

Monografie von Dr. rer. nat. Andreas Heinrich Malczan