Das Gehirn als Computer - Der Computer als Gehirn

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

2. 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.

3. 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

4. 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

5. Das Gehirn als Computer – Der Computer als GehirnInhalt Überblick über die Funktionsweise des Gehirns (Reverse-Engineering) Die Informatik als Hilfsmittel zum Erlangen der Informationen Die Informatik als Mittel zum Schaffen künstlicher Intelligenz (Forward-Engineering) Hybride Ansätze Philosophie Sind wir selbst nur simuliert? Gibt es denkende/fühlende Maschine? Kann man töten? Bekommen Sie Menschenrechte? Wozu bauen? Theologie Dürfen wir „Gott“ spielen? Gibt es eine Seele? Ethik Dürfen wir (u.U. grausame) Versuche an Menschen und Tieren vornehmen, um Wissen zu erlangen? Informatik Entwicklung technischer Hilfsmittel zur Analyse Nutzung der gewonnenen Informationen Zur Realisierung. Neurowissenschaften Erforschen der Funktionsweise von Nervensystemen

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

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

8. 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

9. 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

10. Das EVA-Prinzip Eingabe Verarbeitung Ausgabe Rechner • Eingabegeräte • = Wahrnehmung • Visuell • Auditiv • Olfaktorisch • Gustatorisch • Haptisch • Ausgabegeräte • Gliedmaßen/Gesten • Stimme • Gerüche • ... Zentralprozessor Speicher

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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.

17. Die Informatik als Hilfsmittel zum Erlangen der Informationen

18. 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

19. 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)

20. 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

21. 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 gefährlich

22. 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

23. Schaffen künstlicher Intelligenz (Forward-Engineering)

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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

30. Hybride Ansätze

31. 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, …)

32. 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$

33. Forschung/Zukunft • Neurointerface • Nutzung als Speichermedium bzw. „Upload“ von Daten ins Gehirn • Problemstellungen • zuverlässige, möglichst risikoarme Schnittstelle • Umwandlung in „Neuralen Code“ • Erste Ansätze • kegelförmige Elektrode, in die Nervenzellen einwachsen können • Steuerung Sprachsynthesizer (bisher nur Vokale)

34. Zusammenfassung und Ausblick

35. 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)

36. 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

37. 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?

38. 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?

39. 42 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit