Warum Gedächtnis erst ab einer Energieschwelle lohnt

Ein Tier, das sich durch eine Landschaft aus verstreuten Flecken bewegt, kann sich auf das verlassen, was seine Sinne im Moment melden, oder auf das zurückgreifen, was es vor einer Stunde gelernt hat. Doch Gedächtnis verbraucht Energie – und dieser Preis entscheidet darüber, ob es überhaupt genutzt wird.

Informationen zu speichern, ist nie kostenlos. Die Rechnung fällt an, unabhängig davon, ob das Gedächtnis in einem Gehirn, einem bakteriellen Signalnetzwerk oder in den Proteinen einer einzelnen Zelle steckt.

Wann lohnt es sich, für Erinnern zu bezahlen? Eine theoretische Studie des Institute of Industrial Science und von RIKEN liefert darauf eine klare Antwort.

Takehiro Tottori und Tetsuya J. Kobayashi zeigen, dass ein Organismus mit knappem Energiebudget vollständig auf Gedächtnis verzichten sollte.

Wenn er beginnt, es einzusetzen, geschieht der Wechsel abrupt.

Gedächtnis verursacht Energiekosten

Die beiden Forschenden entwickelten ein bewusst einfach gehaltenes Modell eines Organismus, der etwas verfolgt, das sich fortwährend verändert. Dabei kann es sich um einen Nahrungspatch, einen chemischen Gradienten oder eine Temperatur handeln.

Der Modellorganismus kann diesen Zustand nicht unmittelbar beobachten. Er erhält lediglich eine verrauschte Messung und kann diese in einem internen Gedächtnis ablegen, das seinerseits eigenes Rauschen aufweist.

Anschließend beginnt die Kostenrechnung. Im Modell werden zwei Aspekte berechnet: wie weit die Schätzung von der Realität abweicht und wie viel Aufwand der Organismus betreibt, um die Erinnerung aufrechtzuerhalten.

Zwei Größen bestimmen die Bedingungen: Die eine beschreibt die verfügbare Energie, die andere die Kosten des Gedächtnisses.

Dieser Aufwand ist nicht bloß theoretisch. Eine flüchtige Erinnerung in eine dauerhafte zu überführen, erfordert an der Synapse einen Energieschub.

Die dafür zuständigen Mitochondrien sind im Gehirn ungleich verteilt; deshalb können manche Hirnregionen mehr Gedächtnisaufwand finanzieren als andere.

Warum der Wechsel zum Gedächtnis abrupt erfolgt

Als die beiden Forschenden ihr Modell lösten, war nicht entscheidend, dass Gedächtnis gelegentlich unterlag. Entscheidend war die Art, wie es unterlag.

„Dieser Zielkonflikt kann überraschend dramatisches Verhalten hervorbringen“, sagte Tottori. „Wenn Ressourcen knapp sind, besteht die beste Strategie darin, das Gedächtnis zu ignorieren und nur auf aktuelle Informationen zu reagieren.“

„Sobald jedoch genügend Ressourcen verfügbar sind, wird Erinnern plötzlich lohnend und führt zu einem abrupten Wechsel hin zu einer gedächtnisbasierten Strategie.“

Es gibt keinen sanften Übergang. Unterhalb eines Schwellenwerts beträgt die optimale Menge gespeicherter Information exakt null. Oberhalb davon springt das Optimum unmittelbar auf einen erheblichen Wert.

Frühere Arbeiten derselben Gruppe hatten diesen Sprung numerisch beobachtet, jedoch nicht erklärt. Die neue Studie führt ihn auf einen doppelten Balanceakt zurück.

Der Organismus muss gleichzeitig zwei Dinge einstellen: welchen Anteil jeder Messung er abspeichert und wie stark er das Gedächtnis gegen sein eigenes Rauschen stabilisiert.

Wird nur einer dieser Faktoren optimiert, verläuft der Übergang stetig. Werden beide gemeinsam optimiert, kippt das System abrupt.

Rauschen besitzt einen optimalen Bereich

Das zweite Ergebnis ist ungewöhnlicher – und es stimmt mit Experimenten an Menschen überein.

Gedächtnis lohnt sich am stärksten, wenn die Sinnesinformationen mäßig unzuverlässig sind. Sind eingehende Informationen präzise, fügt die Erinnerung nichts hinzu, was die aktuelle Messung nicht bereits liefert.

Ist das Signal dagegen hoffnungslos verrauscht, füllt seine Speicherung das Gedächtnis nur mit unbrauchbaren Daten. Zwischen diesen Extremen liegt ein Bereich, in dem die Vergangenheit die Schätzung tatsächlich verbessert.

Nur in diesem Bereich sollte ein Organismus für Gedächtnis bezahlen. Auch die Veränderlichkeit der Umwelt wirkt entsprechend: Eine Welt, die sich schnell wandelt, macht alte Informationen wertlos.

Drei Größen des Modells – verfügbare Energie, Preis des Gedächtnisses und dessen internes Rauschen – wirken zudem nicht unabhängig voneinander. Sie lassen sich zu einem Verhältnis zusammenfassen, das die Grenze festlegt.

Auch Menschen verhalten sich so

Nichts davon wurde an einem lebenden Organismus gemessen. Die Studie ist mathematischer Natur, und ihre Autoren weisen sorgfältig darauf hin.

Das Muster findet jedoch eine Entsprechung in experimentellen Daten. In einer Studie aus dem Jahr 2022 sollten Freiwillige unter unterschiedlichen Unsicherheitsniveaus Schlussfolgerungen ziehen.

Die Teilnehmenden nutzten ihr Arbeitsgedächtnis bei mittlerer Unsicherheit und verzichteten an beiden Enden des Spektrums darauf. Das entspricht genau der nicht monotonen Signatur, die das Modell erzeugt.

Kobayashi erforscht die biologische Informationsverarbeitung an der Universität Tokio.

„Diese Ergebnisse helfen zu erklären, warum Organismen nicht immer Gedächtnis einsetzen, selbst wenn es ihre Entscheidungen grundsätzlich verbessern könnte“, sagte Kobayashi.

„Ob Gedächtnis nützlich ist, hängt nicht nur von den verfügbaren Ressourcen ab, sondern auch von der Unsicherheit der Umwelt.“

Dieselben Experimente zeigten, dass eine stärker schwankende Umgebung Menschen zu gedächtnislosen Strategien bewegte. Auch dieses Verhalten wird durch das Modell wiedergegeben.

Was die Mathematik nicht zeigen kann

Das Modell wurde absichtlich einfach gehalten, was zugleich seine größte Einschränkung darstellt. Es setzte einen einzigen veränderlichen Umweltfaktor, Gaußsches Rauschen und quadratische Kosten voraus.

Reale Nervensysteme entsprechen keinem dieser Punkte. Entscheidend ist jedoch, dass bereits diese übersichtliche lineare Konstellation einen abrupten Sprung hervorbringt.

Die Studie belegt nicht, dass eine bestimmte Zelle oder ein bestimmtes Tier auf einer Seite dieser Grenze liegt. Hier wurde nichts Lebendes gemessen.

Ein Teil des Modells bleibt außerdem ungeklärt. Die Forschenden bestimmten die Grenze zwischen zwei Bedingungen, die sie exakt lösen konnten; was in der schmalen Lücke dazwischen passiert, ist weiterhin offen.

Die Verbindung zu realen Schaltkreisen ist ein Hinweis, kein Ergebnis. Die gedächtnisbasierte Schätzung ähnelt hier einer kohärenten Feed-Forward-Schleife, die einen schnellen direkten Weg mit einem langsamen indirekten Weg verbindet.

Solche Schleifen sind in Gennetzwerken und neuronalen Schaltkreisen überrepräsentiert, weshalb es sich lohnt, dieser Ähnlichkeit weiter nachzugehen.

Evolution energieaufwendiger Gehirne

Der evolutionäre Zusammenhang erklärt, warum sich ein Physikjournal mit diesem Thema befasste. Biologische Berechnungskapazität ist im Leben nicht gleichmäßig verteilt.

Manche Systeme kommen mit Reflexen aus. Andere unterhalten kostspielige Mechanismen, um Vergangenes festzuhalten.

Einfache Zellen können so verschaltet sein, dass sie wie kleine Schaltkreise rechnen. Am anderen Ende arbeitet ein menschliches Gehirn nahe an der physikalischen Grenze dessen, was seine Energie leisten kann.

Wenn der Nutzen von Gedächtnis einen Schwellenwert besitzt, würde genau eine solche Verteilung daraus entstehen.

Das Modell bietet eine Möglichkeit, darüber nachzudenken, warum gedächtnisintensive Berechnung wie im Gehirn überhaupt entstanden ist. Sie entstand dort, wo ein Organismus sie sich leisten konnte.

Gedächtnis musste sich außerdem in einer ausreichend unsicheren Umwelt bewähren, damit es sich auszahlte.

Sich erinnern oder nicht erinnern: Diese Frage beantwortet die Evolution, ein Energiebudget nach dem anderen.