Das Gehirn als Computer - Der Computer als Gehirn Fachvortrag Dipl. Inf. Ulrich Dinger 12.06.2009

Das Gehirn als Computer-

Der Computer als Gehirn

FachvortragDipl. Inf. Ulrich Dinger12.06.2009

Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39

Ursprünglicher Themenvorschlag

Ein Ziel der Wissenschaft ist das Verständnis der Funktionsweise des menschlichen Körpers im Allgemeinen und des Gehirns im Speziellen. Immer neue Ergebnisse aus den Bereichen der Psychologie und der Neurobiologie legen den Schluss nahe, dass das Gehirn wie ein komplexer Computer arbeitet und dementsprechend auch nachgebildet werden kann. Der Vortrag soll zum einen eine Übersicht über moderne bild gebende Verfahren liefern, die es mittels Computerunterstützung erst ermöglichten, diese Erkenntnisse zu erlangen. Zum anderen sollen Forschungsprojekte vorgestellt werden, die diese Erkenntnisse nutzen, um Teile des Gehirns nachzubilden und damit die Grundlagen dafür zu schaffen, den Menschheitstraum einer künstlichen Intelligenz zu realisieren.

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Bildungsweg/Beruflicher Werdegang

10/1999 – 11/2004 Studium der Informatik an der TUD; Diplomarbeit bei der Siemens AG in München

01/2005 – 06/2009 Promotion im Fach Informatik an der TUD/ Siemens AG (München und Erlangen), Mitarbeit an EU-Projekt sowie verschiedenen Projekten in der Wirtschaft

10/2006 – 04/2007 Praktikum bei Siemens Corporate Research in Princeton/NJ (USA)

05/2007 – heute Selbständige Mitarbeit bei Siemens Building Technologies in München

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Einleitung

„Schon lange ist bekannt, dass man Elektronenhirne nicht nur bauen, sondern auch erziehen muß. Das Schicksal eines Elekronenhirns ist schwer. Pausenlose Arbeit, komplizierte Berechnungen, Brutalität und gemeine Witze von Seiten der Bedienung – alledem ist ein in seiner Beschaffenheit so überaus empfindlicher Apparat ausgesetzt. Was Wunder, daß es zu Zusammenbrüchen, zu Kurzschlüssen kommt, die häufig in selbstmörderischer Absicht unternommen werden. …“

Stanislav Lem: „Sterntagebücher, Elfte Reise“, 1961

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Das Gehirn als Computer – Der Computer als GehirnInhalt

PhilosophieSind wir selbst nur simuliert?

Gibt es denkende/fühlende Maschine?Kann man töten? Bekommen Sie

Menschenrechte?Wozu bauen?

EthikDürfen wir (u.U. grausame) Versuche an

Menschen und Tieren vornehmen,um Wissen zu erlangen?

TheologieDürfen wir „Gott“ spielen?

Gibt es eine Seele?

NeurowissenschaftenErforschen der Funktionsweise von

Nervensystemen

InformatikEntwicklung technischer Hilfsmittel zur

AnalyseNutzung der gewonnenen Informationen

Zur Realisierung.

1. Überblick über die Funktionsweise des Gehirns (Reverse-Engineering)

2. Die Informatik als Hilfsmittel zum Erlangen der Informationen

3. Die Informatik als Mittel zum Schaffen künstlicher Intelligenz (Forward-Engineering)

4. Hybride Ansätze


Definition „Computer“

Ein Computer (wörtlich: "Rechner") ist ein programmierbares Gerät zum Ausführen von Berechnungen und logischen Entscheidungen und zur Verarbeitung von Daten.

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1. Überblick über die Funktionsweise des Gehirns (Reverse-Engineering)

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Reverse-Engineering

Neurowissenschaften = biologische, physikalische, medizinische und psychologische Wissenschaftsbereiche zur Untersuchung von Nervensystemen

Wissenschaftliche Untersuchung von Begriffen wie Bewusstsein, Gedächtnis, Seele, Geist und Emotionen auf verschiedenen Hierarchieebenen (mikro- und makroskopisch)

Neurobiologie: molekulare und zellbiologische Grundlagen

Neurophysiologie: Untersuchung der „Sprache der Nerven“ (neuronale Aktivität)

Kognitive Neurowissenschaft: Untersuchung höhere Leistungen des Gehirns

Klinisch-medizinisch: Diagnose und Therapie der Erkrankungen des Gehirns

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Technische Daten des Menschen

Aufbau: Organisch, kohlenstoff-basiert, 50-60% Wasser

Optimale (innere) Betriebstemperatur: 37°C

Durchschnittliche Größe (w/m): 165-170/175-180cm

Durchschnittliche Lebenserwartung (w/m): 71,7/66,7 Jahre

Energieverbrauch pro Tag (w/m): 2300/2900 kcal (2,67/3,37 kWh)

Wirkungsgrad: 40-60%

Energieversorgung: Aufnahmen von Sauerstoff, Wasser und pflanzlichen und tierischen Nährstoffen; Verdauungsorgane; Transport im Blut

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Das EVA-Prinzip

Eingabe Verarbeitung Ausgabe

Eingabegeräte= Wahrnehmung

-Visuell-Auditiv

-Olfaktorisch-Gustatorisch

-Haptisch

Ausgabegeräte

-Gliedmaßen/Gesten-Stimme-Gerüche

-...

Zentralprozessor

Speicher

Rechner

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Die Zentraleinheit

Masse ~ 1350g; 20% Energie des Menschen, auch im Schlaf

Geringe Speicherkapazität für Energie Teile

• Hirnstamm: verschaltet und verarbeitet eingehende Sinneseindrücke und ausgehende motorische Informationen; Reflexe + automatische Vorgänge

• Zwischenhirn: Mittler sensibler und motorischer Signale zum und vom Großhirn, Bindeglied zwischen Hormon- und Nervensystem, beteiligt an Schlaf- und Wachsteuerung

• Kleinhirn: Gleichgewicht und Bewegungen, teilweise Spracherwerb und soziales Lernen

• Großhirn: Informationsverarbeitung, Abstimmung

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Die Grundbausteine

Kleinste Einheit = Neuron

• Auf Erregungsleitung spezialisierte Zellen

• ca. 1011-1012 Neuronen, verbunden durch 1014 Synapsen

• Geschwindigkeit der Informationsübertragung: ca. 120m pro Sekunde

• Neurotransmitter = chemische Botenstoffe

5-100µm

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Ulrich Dinger

Neues Bild; Strom fließt???


Speicher

Nicht getrennt wie bei von Neumann-Architektur; Verarbeitung und Speicher vermischt

Schätzungen: 100 Terrabyte - > 1 Petabyte

Lernen = verknüpfen von Neuronen; Änderung der Aktionspotentiale

Schlafen = Verfestigung/Konsolidierung von Gedächtnisinhalten

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Leistungsfähigkeit

1013 bis 1016 analoge Rechenoperationen pro Sekunde

etwa 15 bis 20 Watt an chemischer Leistung

Erreicht durch massiv parallele Ausführung + Filterung

Viel unbewußt, bevor bewußter Akt • Sehen und Wahrnehmen

voneinander getrennt• Auge: 25 Bilder/sek * 24bit *

2MPixel ~ 150MB/s• Es kommt bewußt an: Würfel

Das macht unsere Leistungsfähigkeit aus macht uns aber auch anfällig für Irreführung

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Höherwertige Funktionen

Struktur des Nervensystems unterliegt genetischer Kontrolle „Hardware-Entwicklung“ durch natürliche Selektion

Gefühle Belohnung (das will ich haben; ich will mich wohlfühlen) + Motivation, um etwas zu ändern (Missstand beseitigen)

Mitgefühl/Empathie

Glauben an Gott/Religion Nebenprodukt der Evolution?

Probleme:

• Neurologische Ursache oder falsche „Programmierung“ Reformation des Strafgesetzes

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Manifest der Neurowissenschaftler

Grundsätzlich setzt die neurobiologische Untersuchung des Gehirns auf drei verschiedenen Ebenen an. Die oberste erklärt die Funktion größerer Hirnareale, beispielsweise spezielle Aufgaben verschiedener Gebiete der Großhirnrinde, der Amygdala oder der Basalganglien. Die mittlere Ebene beschreibt das Geschehen innerhalb von Verbänden von hunderten oder tausenden Zellen. Und die unterste Ebene umfasst die Vorgänge auf dem Niveau einzelner Zellen und Moleküle. Bedeutende Fortschritte bei der Erforschung des Gehirns haben wir bislang nur auf der obersten und der untersten Ebene erzielen können, nicht aber auf der mittleren. Das aber bedeutet, dass wir kein Modell besitzen, das die Funktion des Gehirns in abstrahierter Form beschreibt.

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2. Die Informatik als Hilfsmittel zum Erlangen der Informationen

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Geschichte der Mensch-/Hirnforschung

Anfangs:

Sezieren von Menschen + Tieren; Seit wann?

• Herophilos (ca. 300 v. Chr.)

Bestimmte Verbindungen trennen sehen was passiert

Loch in Kopf, Drähte, Strom messen

Versuche an Mensch und Tier; Heute immer noch

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Wissenserlangung durch die Informatik

Nichtinvasive Techniken; Bildgebende Verfahren

Erstellung von Tomographien (Schnittbildern) des menschlichen Körpers

Nutzung verschiedener physikalischer Effekte

Computer zur Verarbeitung und Visualisierung der Daten

Typen

• Röntgencomputertomographie

• Kernspin-Tomographie/ Magnetresonanztomographie

• Positronen-Emissions-Tomographie

• (EEG = Hirnstrommessung)

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Röntgencomputertomographie

Grundlage: Festes Gewebe wie Knochen weist eine deutlich höhere Absorption auf als weiches Gewebe

Funktionsweise: Strahlungsdetektoren wandeln Röntgenquant direkt in einen elektrischen Impuls um; Detektoren im Bereich der Elementarladungen

Rekonstruktion:

• Bekannt: Entfernungen, Winkel und Anfangsintensitäten

• Gemessen: Transmission

• Berechnungen (Fourier)

Vorteile

• sehr hohe Detailauflösung

Nachteile

• Belastung durch Röntgenstrahlung

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Kernspin-Tomographie (MRT)

Grundlage: Atomkern = rotierender Körper mit magnetischem Moment

Funktionsweise: Aufbau homogenes Magentfeld; Mit 3 anderen Feldern überlagert; die schnell auf- und abgebaut

Rekonstruktion:

Umrechnung der Frequenz- und Phasencodierung in Bild (Fourier)

Vorteile

• Wie CT + besserer Weichteilkontrast

• Keine Strahlenbelastung

• Auflösung bis 100 µm, Nervenzellen

• Neue Entwicklungen Echtzeit

Nachteile

• Höherer Aufwand (Kalibration der Hardware) = teuer

• Metallteile gefährlich21


Positronen-Emissions-Tomographie

Grundlage: Emittierung von Beta-Strahlung (Positronen)

Funktionsweise: Bei Wechselwirkung mit Elektron 2 Photonen in 180°-Winkel ausgesandt

Rekonstruktion: Ring-Detektor für Photonen; zeitlich und räumliche Verteilung der Zerfallsereignisse

Kombination PET/CT und PET/MRT

Vorteile

Hirnstoffwechsel wahrnehmbar

Nachteile

Hohe Kosten

Strahlenbelastung

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3. Schaffen künstlicher Intelligenz (Forward-Engineering)

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Geschichte

Turing-Test (Alan Turing, 1950)

Entscheidung der Frage „Können Maschinen Denken“

menschlicher Fragesteller; Tastatur und Bildschirm; kein Sicht- und Hörkontakt; zwei ihm unbekannten Gesprächspartnern (1x Mensch, 1x Computer); wenn Fragesteller nach Befragung nicht sagen kann, wer Mensch ist, ist bestanden

Vermutung Turings: bis 2000 70% „Täuschungsquote“

10/2008 University of Reading 6 Programme beste 25%

Probleme: Datenbank mit möglichen Gesprächsverläufen reines Durchsuchen würde schon Intelligenz bedeuten

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Neuroinformatik

Reine Logik der KI führte nicht zum gewünschten Erfolg

Neuroinformatik

• Nachahmung der Natur

• Gewinnung von Informationen aus schlechten oder verrauschten Daten

• Lernen (überwacht, nicht überwacht)

• Viele Anwendungen in Mustererkennung und Bildverstehen

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Grundlage

Künstliche Neuron

Typen von Netzen

• Einschichtig, feed-forward

• Mehrschichtig, feed-forward

• Rekurrent (Rückkopplung/Gedächtnis)

Lernen

• Änderung der Wichtungen

• Änderungen Schwellwert

• Änderung Aktivierungsfunktion

• Änderung Zahl Neuronen/Verbindungen

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Anwendungen

Wahrnehmung

Mustererkennung

• Fingerabdrücke

• Gesichter

Spracherkennung und Sprachverstehen

Wirkstoffforschung

Weitere

Modellierung psychischer Störungen beim Menschen

KI für Computerspiele

Vorhersagen (Bsp: Absatzprognose in Supermarkt)

Anordnung von Dokumenten nach inhaltlicher Ähnlichkeit

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Höherwertige Funktionen

(An) Triebe/Gefühle

Empathie

Religion

„Seele“/Selbstbewußtsein

• Dietrich Dörner: „Bauplan für eine Seele“ das was wir als „Bewußtsein“/Seele erfahren, ist Folge der komplexen Vorgänge aufgrund der Konstruktion

• Philosophisch: Wie können wir messen? Wir können nicht mal nachvollziehen, wie sich Fledermaus fühlt, obwohl uns viel ähnlicher

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Forschung

FACETS

• EU-Projekt im Rahmen des Information Society Technologies (IST)

• Siliziumchip, 200.000 künstliche Nervenzellen und über 50 Millionen Synapsen

• Testanwendung = Teil des komplexen visuellen Systems nachgebildet, insbesondere Reaktion auf schnell wechselnde Eingangsmuster

IBM Blue Brain

• Zwischenziel: Vollständige Simulation des Neocortex (Sinneseindrücke, Bewegungen , Assoziationszentren) 11/2007 erreicht

• Ziel: Modelle verschiedener Gehirnregionen sowie deren Vernetzung

• Problem: Wie messen, wenn nicht angeschlossen

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4. Hybride Ansätze

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Steuerung mit Gedankenkraft

Brain-Computer-Interface

• Elektroenzephalogramm (EEG), Messung der Hirnströme

• Interpretation durch Computer

• Ansteuerung von Motoren…

• Kommerzialisierung

Braingate

• Implantation eines Computerchips in motorischen Kortex

• 100 Elektroden

• Steuerung von Rollstuhl

• Forschung: Mehr Elektroden (1000); verschieden Einsatzgebiete (Sprache, …)

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Künstliches Auge

Bei Retinitis pigmentosa sterben Photorezeptoren langsam ab

60 Elektroden, einen Viertel so groß wie Briefmarke

mit Mikro-Metallstift an Rückseite der Retina (Netzhaut) befestigt

Kamera, montiert auf einer Brille

Computer am Gürtel konvertiert die visuelle Information in elektrische Signale

Erkennen von Umrissen, Dingen und Orten

Weltweit 10 mal durchgeführt (Stand 02/2008); Kosten ~30000US$

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Forschung/Zukunft

Neurointerface

• Nutzung als Speichermedium bzw. „Upload“ von Daten ins Gehirn

• Problemstellungen

o zuverlässige, möglichst risikoarme Schnittstelle

o Umwandlung in „Neuralen Code“

• Erste Ansätze

o kegelförmige Elektrode, in die Nervenzellen einwachsen können

o Steuerung Sprachsynthesizer (bisher nur Vokale)

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Zusammenfassung und Ausblick

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Zusammenfassung

Mensch als komplexer, sehr leistungsfähiger Analog-Computer; massiv parallele Ausführung und Filterung; anfällig für Irreführung

Informatik hilft durch nicht-invasive bildgebende Verfahren, Informationen über Aufbau und Funktionsweise des Menschen/Gehirns zu erfahren

Informatik nutzt die gewonnenen Informationen zur Realisierung künstlicher Intelligenzen (in progress); weit davon entfernt

Kopplung von Mensch und Computer (Prothesen und künstliche Sinnesorgane bis hin zur virtuellen Realität)

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Ausblick

„Das eben nenne ich Plagieren. [..] Ein neuer Mythos ist entstanden, Tichy, der Mythos, einen >Homunkulus< zu bauen. Warum sollten wir eigentlich Menschen aus Transistoren und Glas bauen? Können Sie mir das erklären? [..] Warum soll eine vernünftige Maschine ein >synthetisches Hirn< sein, geschaffen nach dem Vorbild des Menschen? Wozu? Um zu den drei Milliarden Eiweißwesen noch eines hinzuzufügen, [..]?“

Stanislav Lem: „Doktor Diagoras“, 1982

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Ausblick

Vorbild Mensch weil: Millionen Jahre Entwicklungszeit

Besseres Verständnis des Menschen (Funktionsweise Gehirn)

• „Heilung“ kranker Menschen durch bessere Prothesen/Verbindung Computer/Gehirn

• Wissen über Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und Demenz

Schaffung virtueller Realitäten + virtuellen Mitmenschen + Erinnerungen Menschheitstraum Unsterblichkeit?

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Ausblick

Gefahr der Manipulation/Beeinflussung/Spionage durch Militär, Regierungen, … Gedankenzensur

Technikdoping (gewollt/verboten)?

Computerviren gefährlich für Menschen?

Unterscheidung zwischen virtueller Realität und Wirklichkeit verschwimmt

Wo ist die (ethische) Grenze? Gibt es die?

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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