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Künstliche Intelligenz - Hype? : Die Schnittstelle im Kopf

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Zurück zu den Neuronenmodellen. Eine gelungene Simulation eines Nervennetzes müsste das raumzeitliche Muster der Aktionspotentiale nachbilden. Dazu wäre es aber notwendig zu wissen, wie Aktionspotentiale in der Realität zustande kommen. Leider ist dieser Prozess hochgradig analog-kontinuierlich, und es ist fraglich, ob er sich auf vernünftige Weise digitalisieren lässt.

Simuliertes Neuronennetzwerk unter dem Elektronenmikroskop.
Simuliertes Neuronennetzwerk unter dem Elektronenmikroskop. : Bild: © Allen Institute

Betrachten wir eine Pyramidenzelle im Kortex, eine spezialisierte Nervenzelle also. Auf ihrem Dendritenbaum gibt es mehr als zehntausend Synapsen - erregende und hemmende. Welche Informationen sind essentiell, um zu wissen, wann der Schwellenwert überschritten wird und das Neuron feuert? In der Theorie hört sich das Problem einfach an: Die Potentiale, die sich an den aktiven Synapsen bilden, wandern zum Axonhügel, addieren sich, und wenn die Überlagerung den Schwellenwert überschreitet, dann feuert das Neuron. Die Praxis ist viel komplizierter. Da gibt es erst mal eine verwickelte zeitliche Phasenbeziehung aller aktiven Synapsen. Aber auch der Ort der Synapsen auf dem Dendritenbaum ist von Bedeutung. Die Amplituden der synaptisch erzeugten Potentiale nehmen nämlich im Gegensatz zu den Aktionspotentialen mit der Entfernung ab.

Man denke zur Veranschaulichung an einen Teich, in dessen Mitte ein Plastikentchen schwimmt. Am Ufer stehen zwei Jungen, die jeweils einen Stein ins Wasser werfen. An den Aufschlagpunkten entstehen zwei Wellenberge, die sich kreisförmig vom Zentrum entfernen, sich nach einer Zeit treffen und überlagern. Möchte man die Frage beantworten, ob das Entchen zu einem gewissen Zeitpunkt um 5 Zentimeter angehoben wird, dann muss man wissen, wo und wann die Steine aufschlagen, wie hoch die Amplituden der Wellen zu Beginn sind, wie sie mit der Entfernung abklingen und mit welcher Geschwindigkeit die Wellen über die Oberfläche laufen. Was passiert, wenn Tausende von Steinen in kurzer Zeit ins Wasser geworfen werden? Das ist schon komplexer, aber noch immer eine grobe Vereinfachung der Wirklichkeit.

Die Wirklichkeit ist komplexer

Im menschlichen Gehirn gibt es schließlich ein paar Dutzend verschiedene Neuronentypen, erregende und hemmende, die nicht nur mit verschiedenen Botenstoffen arbeiten. Auch ihre Reizleitungsdynamik ist unterschiedlich und hängt zu allem Überfluss von ihrer Vorgeschichte ab. Aber schon das einfache Bild legt nahe, dass die Annahme, komplex vernetzte Neuronen ließen sich digital simulieren, mit Vorsicht zu genießen ist. Orte und Zeiten sind in der Physik schließlich kontinuierliche Größen und diese nach Bedarf einfach zu diskretisieren, also zu runden, kann gerade in nichtlinearen Systemen schnell zu falschen Ergebnissen führen.

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