Bisher kennen wir eine Menge Einzelheiten über die Funktionsweise des Gehirns, aber uns fehlen noch immer praktische und theoretische Erklärungen für das Gehirn als System.

In den zahlreichen Büchern und Zeitschriften lesen wir von den Ergebnissen der Arbeit so vieler Wissenschaftler, von ihren Experimenten und ihren Erklärungen für besondere Phänomene.

Man könnte sagen, dass fast alle notwendigen Experimente bereits durchgeführt worden sind; viele von ihnen sind sehr gut dokumentiert, so dass wir in der Lage sein sollten, die Theorie der Funktionsweise des Gehirns zu beschreiben.

Es ist keine leichte Aufgabe die Theorie eines Systems zu beschreiben, das rund

100 Billionen (100.000.000.000) aktiver Elemente besitzt – einzelne Neuronen –,

von denen alle einen einzigen Output – den Axon –, viele von ihnen aber Tausende von Inputs

haben, wobei sich alle Inputs und Outputs ständig in dynamischem Wechsel befinden.

Nimmt man den Einfluss von Medikamenten und Hormonen hinzu, ergeben selbst

statische Kombinationen der Input- / Outputbedingungen eine Zahl mit sehr vielen Nullen!

Dieses System organisiert sich selbst durch Funktionen wie Lernen, Speichern, Erinnern, Vergessen!

Doch lassen wir die Neurowissenschaft für den Augenblick beiseite.

Die heutige Technologie ist so fortgeschritten, dass wir aus Silizium eine genaue Nachbildung des Gehirns herstellen können. Die maßgebende Lösung ist eine genaue Nachbildung des Neurons aus Silizium mit allen seinen Lern-, Speicher,- Erinnerungs-, Vergessens- und Schaltfunktionen.

Wir Elektroniker können uns noch an die Zeit erinnern, als wir aus separaten, unterschiedlichen Chips logische Schaltkreise für AND-Gatter, OR-Gatter und Invertierer gebaut haben. Das Speicherchip war noch etwas anderes! Einige Zeit später konnten wir für alle Gatter und Invertierer NOR-Gatter verwenden, mußten aber immer noch separate Speicherchips benutzen.

Die Natur ist noch einen Schritt weiter gegangen und vereinte all dies in einem Einheitsneuron.

Noch ein mal: Das Neuron führt alle logischen Funktionen durch, AND-Gatter, OR-Gatter,

Invertierer und Speicher auf einem „Chip“.

Unser Siliziumneuron wird wie ein natürliches Neuron arbeiten. Es wird zwei verschiedene Funktionsweisen haben, ein verhältnismäßig langsamens assoziatives Lernmemory und eine sehr schnelle logische Schaltfunktion. In anderen Worten, eine langsame Wahrnehmung - Kognition -

und ein schnelles Erkennen - Rekognition.

Die Theorie für die Funktionsweise dieses Siliziumneurons basiert auf der Annahme von Donald

O. Hebb, dass das assoziative Lernen durch einen einfachen Zellmechanismus erfolgen könnte.

Nach Hebbs Lernregel ist eine Übereinstimmung in der präsynaptischen und der postsynaptischen Oberfläche für die Funktionsweise zwischen ihnen entscheidend – das Pawlowsche Konditionieren.

Das Siliziumneuron ist eine nach Außen gerichtete schnelle Schalteinheit. Das interne assoziative Speichern könnte über eine analoge oder digitale Einheit erfolgen. Um einen Speichervorgang zu kontrollieren, könnten wir die Lern- und die Vergessenszeit genau steuern oder einfach den Speichervorgang neu starten und wieder von Anfang an beginnen!

Die meisten Neuronen sind für allgemeine Zwecke bestimmt, wobei sie wie erklärt funktionieren,

aber die Inputsynapsen unterschiedlich konfiguriert sein könnten.

Eine besondere Art von Neuronen sind die sensorischen Neuronen, die als Analog-Digital-Konverter arbeiten, um den analogen Spannungswert der sensorischen Einheit in einen digitalen Wert in Form von Impulsen umzuwandeln. Der analoge Wert entspricht der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit.

Eine andere Neuronenart ist das motorische Neuron mit seinem Axon, der direkt am Muskel endet.

Seine Funktionsweise zusammen mit dem Muskel könnte als Digital-Analog-Konverter beschrieben werden.

Außer analogen und digitalen Prozessen unterscheiden wir im Gehirn auch chemische und physikalische Prozesse. Die Abspeicherung der genetischen Information (DNA) sowie die Herstellung von Hormonen sind rein chemische Prozesse.

Das assoziative Abspeichern ist ein physikalischer Vorgang, bei dem ein chemischer Prozess die physikalischen Merkmale der Durchführungsbedingungen ändert.

Warum sollten wir versuchen, unter Verwendung dieser Siliziumtechnologie ein System zu bauen, dessen Funktionsweise der des Gehirns ähnlich ist?

Einerseits beobachten wir eine boomende Entwicklung der Kommunikationstechnologie und andererseits eine Krise in einigen Bereichen der Wissenschaft wie der Physik, einigen Industriezweigen wie der Stahlproduktion oder der Pharmaindustrie.

Machen wir etwas falsch?

Man benötigt immer mehr Zeit, um Lösungen für die gegenwärtigen Probleme zu finden.

Wir sind Jahre hinter Lösungen für Krebs und Aids zurück – um nur zwei zu nennen.

Könnte es sein, dass wir uns gegenwärtig in einer Kreativitätskrise befinden?

Viele Entdeckungen, die in jüngster Zeit gemacht wurden, sind zufällig oder nebenbei erfolgt.

Warum können wir nicht direkt nach etwas suchen und auch wirklich finden?

Stimmt etwas nicht mit unserer „Logik“?

Seit Jahren sind wir uns der Tatsache bewusst, dass die Bildungssysteme selbst in den hochentwickelten Ländern geändert werden müssen.

Alles, was wir wissen, haben wir gelernt.

Mit einigen Ausnahmen hat jedes neugeborene Kind mit seinen 100 Billionen nicht organisierten Neuronen die gleiche Chance, ein Genie oder ein Gangster zu werden.

Alles hängt davon ab, wie jemand seine Chancen nutzen kann, die ihm Gesellschaft und Familie, Schule oder Straße bieten.

Unser Hirn ist fähig, sich vollkommen an die Umgebung anzupassen. Aber wenn wir nur 10 bis 15 % unserer 100 Billionen Neuronen benutzen, dann ist etwas mit dieser Anpassung falsch.

Wenn es uns gelänge, die natürliche Funktionsweise des Gehirns durch Simulation mit einem äquivalenten System aus Silizium zu simulieren, werden wir in der Lage sein, die Theorie der Funktionsweise des Gehirns zu beschreiben.

Die erste praktische Anwendung könnte darin bestehen, den Mechanismus des assoziativen Lernens zu verstehen. Dazu werden wir zwei verschiedene Funktionsweisen erkennen:

Assoziative Operation Logische Operation

Assoziativer Speicher Logischer Speicher

Kreativer Prozess Logischer Prozess

Denken Rechnen

Denksystem Computer

Assoziative Schaltkreise und Systeme könnten gezwungen werden, logische Funktionen durchzuführen, es gibt aber keinen Weg zurück von der Logik zur Assoziation!

Neuronen führen beide Funktionen aus. Sobald die assoziative Speicherung eingerichtet ist, führen die

Neuronen logische Funktionen aus.

Eine sehr komplexe Datenverarbeitung im Gehirn erfordert eine überaus exzessive Multitask Funktion.

Für jede Aufgabe entwickelt das Gehirn einen separaten Lernware, den wir als separate

„off line“-Kanäle betrachten können – z.B. einen für das Laufen, einen für das Spielen eines Musikinstruments oder einen für das Fahren eines Autos.

Diese „off line“-Kanäle arbeiten automatisch, ohne unser Bewusstsein. Aber wenn dieser

Automatikbetrieb gestört wird – tritt z.B. beim Laufen ein Fehler auf –, dann wird der „on line“-

Kanal sofort eingeschaltet und versucht, die Störung zu beheben.

Das Gehirn hat nur einen „on line“-Kanal. Durch diesen Kanal haben wir Zugang zu allen Teilen des Gehirns und die Kontrolle über sie. Durch das Feedback für jede Handlung ist uns jeder Teil unseres Körpers bewusst. Wir beobachten „on line“ alle unsere Inputkanäle wie Geruch, Tasten, Ton, Sehen und geben „on line“-Befehle, um Bewegungen auszuführen.

Aufgrund der Tatsache, dass wir nur einen „on line“-Kanal haben, wird eine Aufgabe, sobald wir sie gelernt und mehrmals geübt haben, zur automatischen Durchführung nach unten in einen neuen „off line“-Kanal geschoben. Der Start dieser automatische Durchführung erfolgt mit einem einzigen Befehl.

Der interessanteste Teil unseres Gehirns ist die Koordination zwischen verschiedenen Plätzen im Gehirn und den Input- und Outputkanälen.

Wichtig ist natürlich die zeitliche Steuerung - das Timing. Alle verschiedenen Timings könnten definiert und dokumentiert werden; und diese Timings sollten nicht kritisch sein.

Dies war eine kurze Zusammenfassung der Bedingungen, die erforderlich sind, um ein Siliziumgehirn zu bauen und eine Theorie seiner Funktionsweise zu entwerfen.

Anfang der 50er Jahre habe ich als Student und Mitglied des Kybernetikvereins an unserem ersten Neuron gearbeitet, das mit einem Relais hergestellt wurde, und einen „kybernetischen Hund“ gebaut, um den Lernmechanismus des Neurons aufzuzeigen. Zu jener Zeit kannten wir Hebbs Lernregeln noch nicht, aber wir kannten Iwan Petrowitsch Pawlow und seinen Hund!

Seit Mai 1997 beschäftige ich mich intensiv mit dem Themenkreis. Das Jahr 2000 ist angebrochen und das Ende des Jahrzehts des Neurowissenschaft liegt hinter uns - und noch immer warten wir auf den Durchbruch.

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