Denkorgan zeichnet sich durch besonders große Effizienz aus / Forscher simulieren Nervenzell-Netzwerke Was Computerexperten vom Gehirn lernen

Es ist viel Geld im Spiel, der Ausgang ist ungewiss, und zwei Global Player streben um die Vorherrschaft: die USA und die Europäische Union. Forscher versuchen, mehr über das Gehirn zu erfahren und dieses Wissen auch für die Entwicklung von Computern zu nutzen. In das europäische Human Brain Project fließen etwas mehr als eine Milliarde Euro, verteilt über zehn Jahre. In einer ähnlichen finanziellen Größenordnung bewegt sich das US-Projekt.
21.11.2013, 00:00
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Von Martin Schäfer

Es ist viel Geld im Spiel, der Ausgang ist ungewiss, und zwei Global Player streben um die Vorherrschaft: die USA und die Europäische Union. Forscher versuchen, mehr über das Gehirn zu erfahren und dieses Wissen auch für die Entwicklung von Computern zu nutzen. In das europäische Human Brain Project fließen etwas mehr als eine Milliarde Euro, verteilt über zehn Jahre. In einer ähnlichen finanziellen Größenordnung bewegt sich das US-Projekt.

„Wir wollen das gesammelte Wissen der letzten 100 Jahre über das Gehirn zusammenführen und in den nächsten zehn Jahren die Biologie des Gehirns modellieren“, erklärt Henry Markram von der Eidgenössisch-Technischen Hochschule Lausanne, der Chefwissenschaftler des Human Brain Projects. Mit anderen Worten: In zehn Jahren wollen die Forscher das Gehirn und seine biologischen Mechanismen im Computer simulieren können. Markram verspricht sich davon Fortschritte für die Behandlung von Gehirnerkrankungen. Es gibt aber noch weitere Ziele. So wollen die Wissenschaftler herausfinden, worauf die herausragenden Eigenschaften des Gehirns beruhen. „Zu diesen zählen die Energieeffizienz, die Fehlertoleranz und die Lernfähigkeit“, erklärt Karlheinz Meier, Physik-Professor an der Universität Heidelberg und wie Markram einer der Direktoren des Human Brain Projects.

Das Gehirn braucht keine Software und hat kein Betriebssystem wie ein Computer. Es lernt selbstständig, was zu tun ist. Gehen Nervenzellen (Neuronen) zugrunde, etwa durch Alkoholkonsum oder einen Schlaganfall, besitzt es die Fähigkeit, den Verlust auszugleichen. „Ein Mikroprozessor hingegen stürzt bei einem Fehler sofort ab“, sagt Meier. Zudem ist der Energiebedarf im Vergleich zu Geräten wie Computern gering. „Eine Banane am Tag reicht für das Gehirn“, sagt Markram.

Rund 100 Milliarden Neuronen, von denen jedes Einzelne über Kontaktstellen, sogenannte Synapsen, mit vielen anderen verbunden ist, bilden die Grundlage für die Leistungsfähigkeit des Gehirns. Wie aber entstehen daraus Fähigkeiten wie Sehen, Erkennen, Lernen, Reagieren oder Planen? Die Physiker und Informatiker um Meier verfolgen zwei Ansätze. Einerseits wollen sie das Gehirn im Supercomputer simulieren. Andererseits wollen sie einen Computer bauen, der ähnlich wie ein Gehirn arbeitet und verschaltet ist. Jedes Neuron kann mit physikalischen Gleichungen beschrieben werden. Forscher aus Jülich haben vor einiger Zeit rund 1,7 Milliarden Neuronen mit zehn Billionen Synapsen auf einem japanischen Supercomputer simuliert. Um eine Sekunde Neuronenaktivität durchzurechnen, brauchte der Computer 40 Minuten. Das neuronale Netzwerk habe trotz seiner enormen Größe nur einem Bruchteil des menschlichen Gehirns entsprochen, erläutert Markus Diesmann vom Institut für Neurowissenschaften und Medizin des Forschungszentrums Jülich. Die Forscher wollen mithilfe ihrer Simulationen lernen, was sich im Neuronennetz verändert, wenn das Gehirn lernt.

Die Arbeitsgruppe von Karlheinz Meier in Heidelberg geht den anderen Weg. Sie baut Computer, für die Verdrahtungs- und Arbeitsschemata des menschlichen Gehirns zum Vorbild genommen werden. Im Zentrum arbeitet kein Intel-Chip, sondern ein sogenanntes neuromorphes Bauelement. Meier erklärt das Prinzip so: Bei einem Computer sei die Taktzeit des Prozessors fest vorgegeben, etwa zwei Gigahertz. In diesem Takt rechne der Computer. Das Gehirn besitze hingegen keine vergleichbare zentrale Uhr. Jedes Neuron gebe seine Signale für sich ab, es feuere, wie Fachleute sagten. Zunächst sammelt das Neuron nach den Worten des Forschers die Signale aller mit ihm verbundenen Neuronen über eine gewisse Zeit auf. Dann feuere es. „Diese Pulse, sogenannte Spikes, sehen alle gleich aus“, erklärt Meier. Die Information, die das Neuron weitergebe, stecke nicht in der Pulsform, sondern im Zeitpunkt. „Das Gehirn ist im Grunde ein Zeitmesser“, sagt Meier. Auf seinen neuromorphen Chips baut er aus Transistoren, elektrischen Widerständen und Kondensatoren das elektrische Äquivalent eines Neurons, das elektrische Ladung sammelt und feuert.

Nun gilt es, möglichst viele Neuronen zusammenzuschalten. Meier nutzt hier die bewährte Methode aus der Halbleiterfertigung, viele Chips auf einem Silizium-Wafer unterzubringen. Die einzelnen Chips werden dann nicht getrennt, sondern auf dem Wafer verschaltet. Aktueller Stand sind 200000 Neuronen und 50000000 synthetische Synapsen auf einem pizzagroßen Wafer. „Da kommen wir schon in biologisch relevante Bereiche“, sagt Meier. Die Taufliege hat 100000 Neuronen.

Von ihren Experimenten erhoffen sich die Wissenschaftler Hinweise, wie sich das Gehirn organisiert, auch, wie Ordnung in Chaos umschlagen kann, etwa bei epileptischen Anfällen. Auch für die Entwicklung von Robotern könnten die Erkenntnisse eine Rolle spielen. Forscher möchten Roboter bauen, die ihre Umwelt ähnlich wahrnehmen wie Menschen. Dazu aber müssen sie erst einmal wissen, wie Wahrnehmung im Gehirn funktioniert.

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