Download - Das Gehirn als Computer - Der Computer als Gehirn Fachvortrag Dipl. Inf. Ulrich Dinger 12.06.2009
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Das Gehirn als Computer-
Der Computer als Gehirn
FachvortragDipl. Inf. Ulrich Dinger12.06.2009
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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
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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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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
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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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Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39
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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