1 Petabyte! Sagt Ihnen das etwas? Dies ist neuen Untersuchungen zufolge die Speicherkapazität unseres Gehirns. Die Zahl ist eine „wahrhafte Sensation im Bereich der Neurowissenschaften“, so Terry Sejnowski, Co-Autor der in eLife veröffentlichten Studie. Die Speicherkapazität unseres Gehirns wäre damit zehnmal größer als bislang vermutet. Das heißt, unser Gehirn kann 1.000 Mal mehr Informationen speichern als ein moderner Computer. Und das bei geringerem Energieverbrauch. Wie schafft es unser Gehirn, solche Mengen an Informationen mit so wenig Energie zu speichern?

Das Messen der Informationsmenge, die unser Gehirn speichern kann, galt bislang als schwierige Herausforderung. Ein Team vom Salk Institute in San Diego hat diese Herausforderung nun gemeistert. Mittels Analyse von Zellgewebe aus Rattengehirnen gelang es den Forschern, einen winzigen Teil des Hippocampus in einem 3D-Modell nachzubilden, also den Teil des Gehirns, der eine wichtige Rolle für die Bildung von Erinnerungen spielt. Unsere Erinnerungen und Gedanken sind das Ergebnis elektrischer und chemischer Aktivitäten im Gehirn. Das Schlüsselereignis dieser Aktivität finden statt, wenn das Axon (der Kopf) einer Nervenzelle Informationen an den Dendrit (das Ende) einer anderen Nervenzelle übermittelt, und dort von einer der zahlreichen Divertikel (Dornenfortsätze) empfangen wird. Die Kontaktpunkte (Synapsen) auf den Dornenfortsätzen ermöglichen die Übertragung elektrischer Nervensignale mittels Neurotransmitter. Jede Nervenzelle kann sich über Tausende von Synapsen mit Tausenden anderen Nervenzellen verbinden. Diese synaptische Effizienz passt sich darüber hinaus permanent nach oben oder unten an.

Anhand des 3D-Modells des winzigen Stücks Hippocampus (ein Würfel mit Seitenlänge von 6 Mikron) konnten Terry Sejnowski und sein Team die Synapsen bis ins kleinste Detail untersuchen. Sie fanden heraus, dass bei 10 % der Synapsenverbindungen eine ungewöhnliche Aktivität stattfindet: Ein Axon ist demnach in der Lage, sich zweimal oder gar öfters mit demselben Dendriten zu verbinden. Anders gesagt, eine Nervenzelle kann mehr als ein Signal an eine andere Nervenzellen übermitteln. Das war jedoch nur das erste wichtige Ergebnis der Forschungsarbeit. Tom Bartol, ein Mitglied der Forschergruppe, hatte die Idee, mithilfe moderner Mikroskopie und komplexen Algorithmen die Verbindungen der Nervenzellen auf nanomolekularer Ebene zu untersuchen. Es sollte herausgefunden werden, ob sich die Synapsen, die von ein und derselben Nervenzelle verwendet werden, in ihrer Größe unterscheiden.

Die synaptische Effizienz kann anhand des Volumens ermittelt werden, das sich aus der Menge der Neurotransmitter und der Kontaktfläche ergibt. Das Volumen kann je nach übertragener Informationsmenge um den Faktor 60 variieren. Ausgedrückt wird die synaptische Effizienz in Byte, also der Einheit eines Computerspeichers. Synapsen werden üblicherweise in drei Kategorien unterteilt (nach Effizienz) und zwar in kleine, mittlere und große Synapsen. Die Autoren der Studie kamen jedoch auf 26 Kategorien. Das heißt, es werden weitaus mehr Informationen gespeichert als bisher angenommen. Drückt man die Speicherkapazität des Gehirns in der Sprache der Informatik aus, entsprechen 26 Synapsengrößen ca. 4,7 Bit Informationen. Bisher nahm man an, dass eine Synapse nur 1 bis 2 Bit Informationen übertragen kann. Für das gesamte Gehirn ergibt sich daraus die unglaubliche Zahl von 1 Petabyte!

Die Forscher konnten außerdem die Variabilität und Anpassung der synaptischen Effizienz zeigen. Die Synapsen werden alle 2 bis 20 Minuten größer oder kleiner, je nachdem, welche Signale sie erhalten. So können mehr Informationen übertragen werden, was die Kapazität des Gedächtnisses um das Zehnfache ansteigen lässt. Dabei nimmt die Größe der Synapsen nach ca. 1.500 Übertragungen innerhalb von 20 Minuten ab. Um die Größe ansteigen zu lassen, sind lediglich 2 Minuten und einige Hundert Übertragungen erforderlich. Diese Fähigkeit des Gehirns und die Tatsache, dass der Energieverbrauch des Gehirns eines Erwachsenen lediglich 20 Watt beträgt (was einer Energiesparlampe entspricht), zeigen, dass das Gehirn große Mengen an Informationen sehr präzise speichern kann und gleichzeitig energieeffizient ist.

Bleibt die Frage, wann wir Computer bauen können, die so „umweltfreundlich“ sind wie das menschliche Gehirn.