Die Geheimnisse der Funktionsweise des menschlichen Gehirns haben Wissenschaftler schon immer beunruhigt. Es gab schon immer Versuche, das menschliche Gehirn nachzuahmen. Das Human Brain Project ist ein solcher Versuch. In welchem Stadium befinden sich Wissenschaftler? Gibt es Erfolge?
Das menschliche Gehirn ist der mysteriöseste biologische Computer, den wir kennen. Tatsächlich wissen wir nicht genug darüber, trotz der Bemühungen von Wissenschaftlern, im Laufe der Jahrhunderte auf immer ausgefeiltere Weise mehr darüber zu erfahren. Nur die neuesten Technologien können uns echte Erkenntnisse liefern, über die wir vorher nur spekulieren konnten. Dies ändert jedoch nichts an der Tatsache, dass wir noch weit von der vollständigen Bewusstheit entfernt sind. In welchem Stadium befinden sich moderne Wissenschaftler?
Auch interessant: Was sind neuronale Netze und wie funktionieren sie?
Der Begriff „künstliche Intelligenz“
Als in den 1950er Jahren der Begriff „künstliche Intelligenz“ zum ersten Mal in der Wissenschaft auftauchte und KI-Forscher erfolgreich bewiesen, dass man einer Maschine Dinge beibringen kann, die man selbst nicht tun kann, waren sie davon begeistert. Die einfache Möglichkeit, dass eine Maschine selbstständig lernen, mathematische Theoreme beweisen kann (dies wurde beispielsweise mit dem 1955 von Allen Newell und Herbert Simon entwickelten Programm „Logic Theorist“ durchgeführt) oder Dame spielen und einen Menschen schlagen kann (Programm von Arthur). Samuel, ein IBM-Ingenieur und später Professor an der Stanford University), ließ die wissenschaftliche Welt glauben, dass eine vollständige Simulation des menschlichen Gehirns nur noch wenige Jahre entfernt sei.
Jahrzehnte sind vergangen, und trotz des enormen Wachstums der Rechenleistung, der Entwicklung künstlicher neuronaler Netze und KI-Algorithmen mit tiefem maschinellem Lernen sind wir immer noch weit davon entfernt, auch nur Fragmente des Gehirns zu simulieren. Vereinfacht gesagt haben die KI-Pioniere der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts die Fähigkeiten dieser „geleeartigen Masse“ unserer Schildkröten, die zu 90 % aus Wasser besteht, stark unterschätzt.
Auch interessant: ChatGPT: Einfache Gebrauchsanweisung
Das Gehirn ist komplex
Bei der Geburt wiegt das menschliche Gehirn etwa 300 g. Ein voll entwickeltes erwachsenes Gehirn wiegt etwa 1,5 kg. Diese 1,5 kg enthalten unser gesamtes Universum und alle geistigen Fähigkeiten, die wir haben. Nicht nur bewusste, wie abstraktes Denken, Kreativität, sondern auch solche, die uns nicht bewusst sind: Beweglichkeit, Kontrolle des Kreislaufsystems, Atmung und vieles mehr.
Unter Wissenschaftlern ist die Aussage weit verbreitet, dass das menschliche Gehirn aus etwa 100 Milliarden Neuronen besteht. Wir kennen ihre genaue Zahl nicht und sie kann bei jedem einzelnen Menschen unterschiedlich sein. Nehmen wir jedoch an, dass dies wahr ist und diese Zahl nicht so gering ist. 100 Milliarden sind viel, aber moderne Supercomputer können noch größere Objekte simulieren. Das Problem besteht jedoch darin, dass ein Neuron viel komplexer ist als beispielsweise ein Texel in 3D-Grafiken, ein Pixel in einem Bild oder jedes andere Objekt, das mit nur einem kleinen Codeabschnitt beschrieben werden kann.
Neuronen in unserem Gehirn sind miteinander verbunden. Dabei handelt es sich nicht um physikalische Verbindungen, denn dann würden sich die in einzelnen Neuronen erzeugten elektrischen Impulse schnell im ganzen Körper ausbreiten, was eine Funktion praktisch unmöglich machen würde. Die Informationsübertragung in unserem Gehirn basiert sowohl auf Elektrizität (Impulse) als auch auf Chemie (Neurotransmitter). Jedes Neuron (erinnern wir uns an das mittlerweile populäre Bild eines Neurons als „Baum“ mit charakteristischen Dendriten) kann mit Hilfe von bis zu zehntausend synaptischen Verbindungen mit anderen verbunden werden.
Stimmen Sie zu, 10000 Verbindungen von einer Nervenzelle sind eine viel höhere Komplexität als Logikgatter in Transistoren. Wenn wir versuchen, die Anzahl aller möglichen Verbindungen zwischen Neuronen und die Zustände zu zählen, die sie zu einem bestimmten Zeitpunkt annehmen können (nur einen), erhalten wir eine riesige Zahl, die die geschätzte Anzahl von Atomen im gesamten beobachtbaren Universum bei weitem übersteigt. Mit diesem Ansatz glauben viele Wissenschaftler, die sich auf Neurobiologie spezialisiert haben und auch einen Hintergrund in der Informatik haben, dass die vollständige Simulation eines so komplexen Organs selbst beim aktuellen Wissensstand und der erwarteten Entwicklung eine Aufgabe ist, die unsere Fähigkeiten übersteigen wird eine lange Zeit. Das bedeutet aber nicht, dass Wissenschaftler nichts tun und nichts erreicht haben. Werfen wir einen Blick auf einige Projekte, deren Ziel es ist, wenn nicht den gesamten menschlichen Geist, dann zumindest einen Teil davon zu simulieren.
Lesen Sie auch: 7 coolste Anwendungen von ChatGPT
40 Minuten und eine Sekunde
Im Jahr 2013 schlossen sich japanische Wissenschaftler des Okinawa Institute of Technology und deutsche Forscher des Forschungszentrums Jülich zusammen und nutzten einen der damals leistungsstärksten Supercomputer auf unserem Planeten (genannt K Computer, Spitzenreiter der Top500-Liste 2011) mit Rechenleistung von 8,16 PFLOPS (oder 8,16 Billiarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde), um zu versuchen, nur einen Teil des Gehirns zu simulieren. Im Allgemeinen bestand die Simulation darin, die Arbeit von 1,73 Milliarden Neuronen abzubilden, die zusammen ein Netzwerk von 10,4 Billionen synaptischen Verbindungen bildeten. Das ist etwas mehr als 1 Prozent des Potenzials dieses biologischen „Gelee“, das in Ihrem Schädel steckt. Die Simulation nutzte die volle Leistung von 82944 Sparc64 VIIIfx-Prozessoren (ein System hat eine Taktfrequenz von 2 GHz und 8 Kerne). Hat dieser Ansatz funktioniert?
Laut Wissenschaftlern ja, aber andererseits... hängt es davon ab, wie man es betrachtet. Ungefähr 40 Minuten Betrieb dieses Supercomputers dauerten für eine Simulation von nur 1 Sekunde Betrieb des erwähnten Fragments des neuronalen Netzwerks des Gehirns. Daher kann man die Tatsache, dass die Simulation überhaupt durchgeführt wurde, zwar als Erfolg bezeichnen, denn die Auswirkungen, die Rechenzeit und der Umfang der Simulation zeigen, vor was für einem riesigen Problem wir hier stehen. Und es muss beachtet werden, dass mit zunehmender Anzahl von Neuronen die Komplexität des synaptischen Netzwerks nicht linear, sondern exponentiell zunimmt! Wenn selbst der derzeit schnellste amerikanische Supercomputer Frontier, der am Oak Ridge National Laboratory arbeitet und eine Rechenleistung von bis zu 1102 PFLOPS hat, also 135-mal mehr als der erwähnte japanische K-Computer, für die gleiche Aufgabe verwendet würde, wäre das nicht der Fall dass Frontier (mit den gleichen Modellparametern) ein 135-mal größeres neuronales Netzwerk simulieren könnte. Die gleiche Simulation einer realen Sekunde eines Netzwerks von 1,73 Milliarden Neuronen dauert auf einem amerikanischen Supercomputer nicht 40 Minuten, sondern weniger als 18 Sekunden. Aber das ist immer noch viel mehr als eine echte Echtzeit-Netzwerksimulation und nur ein kleiner Teil dessen, was wir im Kopf haben. Die Simulation der Funktionsweise des gesamten Geistes gehört immer noch in den Bereich der Science-Fiction. Aber Wissenschaftler versuchen es immer noch.
Lesen Sie auch: Über Quantencomputer in einfachen Worten
Europäisches Human Brain Project
Das Human Brain Project (HBP) kann hinsichtlich seines Umfangs und der für dieses wissenschaftliche Projekt bereitgestellten Mittel mit einem anderen Projekt mit Bezug zum Menschen verglichen werden – dem berühmten Projekt „Human Gene“, das von 1990 bis 2003 lief. Um das menschliche Genom vollständig zu verstehen, möchte das Human Brain Project Wissenschaftlern dabei helfen, unser Gehirn besser zu verstehen. Allerdings kommt das Human Brain Project, das seit 2013 läuft und ursprünglich nach einem Jahrzehnt der Forschung (also im Jahr 2023) enden sollte, nicht annähernd an die Simulation des gesamten Gehirns heran. Welche Ziele wollen Wissenschaftler mit dieser Forschung erreichen?
Das Hauptziel von HBP besteht nicht darin, das gesamte Gehirn zu simulieren, da wir hoffentlich bereits gezeigt haben, dass diese Aufgabe die Fähigkeiten unserer heutigen Zivilisation übersteigt. Ziel ist es, die Komplexität des Gehirns zumindest teilweise zu beherrschen. Dies wird bei der Entwicklung von Wissenschaften wie Medizin, Informatik, Neurologie sowie bei der Entwicklung von Technologien helfen, deren Arbeit von der Funktionsweise unseres Geistes inspiriert ist.
Eines der Ergebnisse des HBP-Projekts ist die Schaffung einer digitalen Plattform für die Hirnforschung, EBRAINS. EBRAINS ist eine Open-Source-Plattform, die es Forschern aus aller Welt ermöglicht, digitale Tools zu nutzen, die in einer sicheren Cloud-Umgebung verfügbar sind. Mit anderen Worten: EBRAINS stellt Wissenschaftlern die Werkzeuge zur Verfügung, um die Funktion einzelner Bereiche des Gehirns zu modellieren und zu analysieren.
Ein solches Tool ist das von HBP und EBRAINS entwickelte virtuelle Gehirnsimulationsprogramm. Dieses Tool ist überhaupt nicht in der Lage, die Arbeit des gesamten Gehirns zu simulieren, aber es ermöglicht beispielsweise Forschern neuer Medikamente, deren Wirkung auf Gruppen von Neuronen zu simulieren. Dies wiederum wird es Wissenschaftlern ermöglichen, neue Behandlungsmethoden zu entwickeln, die für komplexe Krankheiten wie Alzheimer, Depression, Parkinson und mehr nützlich sind.
Auch interessant:
- Also sprechen oder nicht sprechen? Musk bestreitet, mit Putin gesprochen zu haben. Aber es gibt ein "aber"
- Moderne Artillerie ist die Superwaffe der Ukraine. Und warum ist Elon Musk hier?
US-BRAIN-Initiative
Ein noch größeres und neueres Projekt amerikanischer Forschungseinrichtungen ist die US BRAIN Initiative. Dabei handelt es sich um ein weiteres mehrjähriges, mehrere Milliarden Dollar teures Forschungsprojekt mit dem Ziel, das menschliche Konnektom zu kartieren. Was ist eine Verbindung? Dies ist eine Reihe von Nervenverbindungen dieses Organismus. So wie das Genom eine vollständige Karte der genetischen Kette ist, ist das Proteom eine vollständige Karte der Proteine eines bestimmten Organismus. Wir kennen das menschliche Genom bereits, seine Entdeckung hat Milliarden Dollar gekostet. Heutzutage sind Genomtests weit verbreitet und beispielsweise kosten Gentests zum Nachweis eines Defekts mehrere hundert Dollar. Ein vollständiges Genom ist etwas teurer, aber immer noch um Größenordnungen niedriger als die Kosten für die erste Ablesung menschlicher DNA.
Kehren wir zurück zu Connectome und dem amerikanischen BRAIN-Projekt. Was ist der Zweck dieses Projekts? Josh Gordon, Direktor des US-amerikanischen National Institute of Mental Health in Bethesda, Maryland, sagte: „Die Kenntnis aller Arten von Gehirnzellen, wie sie miteinander verbunden sind und wie sie interagieren, wird uns heute eine ganze Reihe neuer Therapien eröffnen.“ kann ich mir gar nicht vorstellen. Derzeit wird der weltweit größte Katalog von Nervenzelltypen erstellt und systematisch weiterentwickelt. Dieser Katalog mit dem Namen BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) beschreibt, wie viele verschiedene Arten von Zellen es im Gehirn gibt, in welchen Anteilen sie vorkommen, wie sie räumlich verteilt sind und welche Wechselwirkungen zwischen ihnen stattfinden.
Woher kommt dieser Ansatz? Aus dem Bedürfnis heraus, zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert. Die Vorteile dieses Ansatzes erläutert der Neurowissenschaftler Christoph Koch, leitender Wissenschaftler des MindScope-Programms, das vom Allen Institute for Brain Science in Seattle umgesetzt wird, gegenüber Nature in einer Stellungnahme: „So wie nichts in der Chemie ohne das Periodensystem von Sinn ergibt.“ Elemente gibt es für das Verständnis des Gehirns keinen Sinn, ohne die Existenz und Funktionsweise einzelner Zelltypen zu verstehen.“
Wenn wir hypothetisch das technologische Potenzial erreichen würden, Zelle für Zelle scannen und beispielsweise das menschliche Gehirn nachbilden zu können, würde ein solcher Ansatz bedeuten, dass wir selbst bei Erfolg (was heute nicht realistisch ist) immer noch nicht verstehen würden, warum das so ist Das Gehirn funktioniert so, wie es wirklich passiert. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um das Gehirn als lebendes biologisches Organ oder um sein digitales, hypothetisch geklontes Gegenstück handelt. GEHIRN und Verzeichnis BICCN sind Ausgangspunkte für das Verständnis der Struktur und Funktionsweise jedes neuronalen Schaltkreises und damit für das Verständnis des komplexen Verhaltens, das alle Arten mit einem so komplexen Organ wie dem Gehirn beherrscht.
Die Forschung geht weiter und Wissenschaftler präsentieren ihre neuen Errungenschaften ständig auf einer eigens erstellten Website. Daher bin ich sicher, dass uns bald noch weitere interessante Entdeckungen erwarten.
Auch interessant:
Bald wird es möglich sein, jedem unnötigerweise das Gehirn zu entnehmen ...