Kurzbeschreibung
Grundlage aller Gehirntätigkeit ist die
Ausbreitung neuronaler Erregungen.
Im Cortex, der das höchste Subsystem bildet, treffen die Signale der meisten
Rezeptoren in Form von neuronalen Erregungen in den Inputneuronen der
vierten Schicht ein. Über Axone der Neuronen und Interneuronen breiten sich
die eintreffenden Erregungen in der Cortexschicht aus und
überlagern sich
dabei additiv. HIerbei tritt eine abstandsabhängige
Dämpfung der neuronalen
Erregung auf, die einer konkaven Übertragungsfunktion entspricht. Diese ist
für jedes ein einzelnes Inputneuron konkav und besitzt in einer hinreichend
großen Umgebung eine negativ definite Hessematrix. Die additive Überlagerung
einer beliebigen Linearkombination mit positiven Faktoren (Feuerraten sich
positiv!) ergibt wieder eine konkave Gesamterregungsfunktion, die innerhalb
eines gewissen Überlagerungsgebietes immer ein globales Maximum besitzt.
Dieses globale Erregungsmaximum wandert hin und her, wenn die
Feuerraten der
Inputneuronen sich verändern, also die Stärke der Urgrößen, die die
signalliefernden Rezeptoren erregen, sich verändert. So führen Veränderungen
von Gelenkwinkeln bei kreisförmigen Bewegungen zur Rotation von cortikalen
Erregungsmaxima um ein festes Zentrum. Ebenso führen Bewegungen von
geneigten Geraden zu Erregungsmaxima, die windmühlenartig um ein Zentrum
angeordnet sind und deren Neuronenpopulationen als Orientierungssäulen
bezeichnet werden. Im Cortex werden viele Signale durch maximal erregte
Neuronenpopulationen dargestellt, die Lage der Maxima codiert die
beteiligten Untersuchungsparameter. Die Maximumcodierung ist ein
Grundprinzip des Gehirns. Die Anwendung der Methoden der
Extremwertbestimmung ermöglicht die Bestimmung der Parameter, die diese
Maxima hervorrufen. Die Differentialrechnung stellt hierbei das
Handwerkszeug zur Verfügung, um zu verstehen, warum Forscher an der
Cortexoberfläche Erregungsmaxima beobachten, und sie stellt den Zusammenhang
zwischen der Maximalerregung und ihrer Ursache dar. Erst dadurch können wir
verstehen, wie das Gehirn Signale intern darstellt und verarbeitet.
Grundlage der Signalverarbeitung im Cortex sind Divergenzmodule, bei denen
der Input teils vertikal, teils in der Ebene und teils auch räumlich
verteilt wird, sich überlagert und zu Erregungsmaxima führt. Der Output
stellt maximumcodierte Signale dar, deren Maxima neue Modalitäten, z. B.
Helligkeiten, Farben, Gelenkwinkel, Linienelemente usw. darstellen.