Skala des menschlichen Gehirns

Das Gehirn hat etwa 1011 Neuronen und 1,8-3,2 x 101⁴ Synapsen. Diese machen wahrscheinlich den Großteil des rechnerisch interessanten Verhaltens aus.

Unterstützung

Anzahl der Neuronen im Gehirn

Die Anzahl der Neuronen im Gehirn beträgt etwa 1011. Zum Beispiel zählten Azevado et al. sie physisch und fanden 0.6-1 * 1011. Eric Chudler hat Schätzungen aus einer Reihe von Lehrbüchern gesammelt, die 1-2 x 101⁰ davon (10% -30%) in der Großhirnrinde schätzen.1

Anzahl der Synapsen im Gehirn

Die Anzahl der Synapsen im Gehirn ist viel weniger genau bekannt, liegt aber wahrscheinlich bei 101⁴. Zum Beispiel Human-memory.net berichte 101⁴-101⁵ (100 – 1000 Billionen) Synapsen im Gehirn, ohne Zitat oder Erklärung. Wikipedia sagt, dass das Gehirn 100 Milliarden Neuronen mit jeweils 7.000 synaptischen Verbindungen für insgesamt 7 x 101⁴ Synapsen enthält, aber dies scheint möglicherweise falsch zu sein.2

Anzahl der Synapsen im Neokortex

Eine Möglichkeit, die Anzahl der Synapsen im Gehirn abzuschätzen, besteht darin, aus der Anzahl im Neokortex zu extrapolieren. Laut stereologischen Studien, die wir nicht untersucht haben, gibt es im Neokortex etwa 1,4 x 101⁴ Synapsen.3 Dies stimmt in etwa mit Eric Chudlers Zusammenfassung der Lehrbücher überein, die Schätzungen zwischen 0,6-2,4 x 101⁴ für die Anzahl der Synapsen in der Großhirnrinde enthält.4

Uns sind keine überzeugenden Schätzungen für die synaptische Dichte außerhalb der Großhirnrinde bekannt, und unser Eindruck ist, dass weit verbreitete Schätzungen von 101⁴ von der Annahme abgeleitet werden, dass der Neokortex den größten Teil der Synapsen im Gehirn enthält. Dies erscheint angesichts des großen Volumens des Neokortex plausibel, obwohl er eine Minderheit der Neuronen des Gehirns enthält. Volumenmäßig sind etwa 80% des menschlichen Gehirns Neokortex.5 Der Neokortex verbraucht auch etwa 44% der Gesamtenergie des Gehirns, was ein weiterer vernünftiger Indikator für den Anteil der Synapsen im Gehirn sein kann.6 Unsere Vermutung ist also, dass die Anzahl der Synapsen im gesamten Gehirn irgendwo zwischen dem 1,3- und 2,3-fachen der Anzahl in der Großhirnrinde liegt. Von oben enthält die Großhirnrinde etwa 1,4 x 101⁴ Synapsen, so dass wir 1,8-3,2 x 101⁴ Gesamtsynapsen erhalten.

Anzahl der Synapsen pro Neuron

Die Anzahl der Synapsen pro Neuron variiert erheblich. Laut Wikipedia sind die meisten Neuronen Kleinhirn-Granulatzellen, die nur eine Handvoll Synapsen haben, während die obigen Statistiken darauf hindeuten, dass das durchschnittliche Neuron etwa 1.000 Synapsen hat. Purkinje-Zellen haben bis zu 200.000 Synapsen.7

Anzahl der Gliazellen im Gehirn

Hauptartikel: Glial signaling

Azevado et al. Untersuchung findet etwa 1011 Gliazellen (die gleiche wie die Anzahl der Neuronen).

Relevanz anderer Zellen als Neuronen für Berechnungen im Gehirn

Hauptartikel: Glial signaling

Es scheint, dass die Zeitskalen der Gliadynamik wesentlich länger sind als für die Neurondynamik. Sandberg und Bostrom schreiben: „Allerdings sind die Zeitkonstanten für die gliale Calciumdynamik im Allgemeinen viel langsamer als die Dynamik von Aktionspotentialen (in der Größenordnung von Sekunden oder mehr), was darauf hindeutet, dass die Zeitauflösung nicht so fein sein müsste“ (S. 36). Dies deutet darauf hin, dass die rechnerische Rolle von Gliazellen nicht zu groß ist. Hinweise auf eine viel größere Anzahl von Gliazellen scheinen üblich zu sein, aber wir konnten keine empirische Forschung aufspüren, die diese Behauptungen stützt. Ein informeller Blogbeitrag legt nahe, dass eine verbreitete Behauptung, dass es zehnmal so viele Gliazellen wie Neuronen gibt, ein populärer Mythos sein könnte.Uns sind keine ernsthaften Hinweise bekannt, dass andere Zellen als Neuronen oder Glia eine rechnerisch signifikante Rolle bei der Funktion des Gehirns spielen.

1. Gesamtzahl der Neuronen in der Großhirnrinde = 10 Milliarden (aus G.M. Shepherd, Die synaptische Organisation des Gehirns, 1998, S. 6). Jedoch, C. Koch listet die Gesamtzahl der Neuronen in der Großhirnrinde auf 20 Milliarden (Biophysics of Computation. Informationsverarbeitung in einzelnen Neuronen, New York: Oxford Univ. Press, 1999, Seite 87).
2. „Das menschliche Gehirn hat eine große Anzahl von Synapsen. Jedes der 1011 (einhundert Milliarden) Neuronen hat im Durchschnitt 7.000 synaptische Verbindungen zu anderen Neuronen. Es wurde geschätzt, dass das Gehirn eines dreijährigen Kindes etwa 101⁵ Synapsen (1 Billiarde) hat. Diese Zahl nimmt mit zunehmendem Alter ab und stabilisiert sich bis zum Erwachsenenalter. Die Schätzungen variieren für einen Erwachsenen und reichen von 101⁴ bis 5 x 101⁴ Synapsen (100 bis 500 Billionen).“ Wikipedia Zugriff April 13 ’15, unter Berufung auf „Haben wir Gehirn zu ersparen?“. Neurologie 64 (12): 2004-5. Wir haben nicht auf den größten Teil des Drachman-Papiers zugegriffen, aber es heißt zumindest: „Innerhalb der anderthalb Liter des menschlichen Gehirns schätzen stereologische Studien, dass es ungefähr 20 Milliarden neokortikale Neuronen mit durchschnittlich 7.000 synaptischen Verbindungen gibt“. Dies deutet darauf hin, dass die Wikipedia-Seite die 7.000 synaptischen Verbindungen pro Neuron nicht dem Neokortex, sondern dem gesamten Gehirn zuordnet.
3. „Innerhalb der anderthalb Liter des menschlichen Gehirns schätzen stereologische Studien, dass es ungefähr 20 Milliarden neokortikale Neuronen mit durchschnittlich 7.000 synaptischen Verbindungen gibt“.“Haben wir Gehirn zu schonen?“. Neurologie 64 (12): 2004-5.
4. „Anzahl der Synapsen im Cortex = 0,15 Billiarden (Pakkenberg et al., 1997; 2003)…

   …Gesamtzahl der Synapsen in der Großhirnrinde = 60 Billionen (ja, Billionen) (aus G.M. Shepherd, Die synaptische Organisation des Gehirns, 1998, S. 6). C. Koch listet jedoch die Gesamtzahl der Synapsen in der Großhirnrinde mit 240 Billionen auf (Biophysics of Computation. Informationsverarbeitung in einzelnen Neuronen, New York: Oxford Univ. Press, 1999, Seite 87).“ – Chudler, Brain facts and figures

5. Dunbar bezieht sich auf anatomische Messungen von 1981 und schreibt „Mit einem neokortikalen Volumen von 1006,5 ccm und einem gesamten Gehirnvolumen von 1251,8 ccm (Stephan et al. 1981) beträgt das Neokortexverhältnis für den Menschen CR = 4,1.“ (S. 682).
6. „Somit macht der Neokortex 44% des Gesamtverbrauchs des Gehirns aus.“ Lennie, 2003 (S. 495)
7. „Anzahl der Synapsen auf einer Purkinje-Zelle = bis zu 200.000“ – Chudler, Brain facts and figures