3 Aufbau des Gehirns
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Gruppe Gehirn WS 99/00 Mehr Watt in der Birne Ekaterina Goloubeva IM1M [email protected] Christoph Schwenk W8 [email protected] Holger Guglielmi W8 [email protected] Ingo Wagner W8 [email protected] Abb. 1 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 1 Inhaltsverzeichnis 1 INHALTSVERZEICHNIS .............................................................................................. 2 2 EINLEITUNG .................................................................................................................. 3 3 AUFBAU DES GEHIRNS ............................................................................................... 4 3.1 Physischer Aufbau .................................................................................................................................. 4 3.2 Funktionsweise des Gehirns ................................................................................................................... 6 3.3 Serienausstattung des Menschen ........................................................................................................... 7 3.4 Use it or lose it ......................................................................................................................................... 8 3.5 Soforthilfe gegen kleine Schwächen ...................................................................................................... 9 4 DER LERNPROZESS ................................................................................................... 10 4.1 Möglichkeiten, Lernvorgänge zu blockieren ...................................................................................... 10 4.2 Neun Lerntypen .................................................................................................................................... 11 4.3 Beispiel für das effiziente Lernen : ...................................................................................................... 13 5 KÜNSTLICHE INTELLIGENZ .................................................................................. 14 5.1 Wissen über Zeit und Raum ................................................................................................................ 15 5.2 Maschinelles Lernen ............................................................................................................................. 16 5.3 Vorbild, Neuronale Netze ..................................................................................................................... 17 5.4 Anwendungen ........................................................................................................................................ 18 6 LITERATURVERZEICHNIS ...................................................................................... 19 7 FRAGENKATALOG..................................................................................................... 20 2 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 2 Einleitung Unser Gedächtnis kann so viel speichern wie 100 000 Bücher. Es ist stärker als jeder Computer –aber auch anfälliger. Wenn wir den Namen und Haarfarbe der Ex-Freundin vergessen, dann macht das nichts. Beim Tabellenstand der Bundesliga sieht das schon anders aus, und wenn wir die Geheimnummer für Handy, EC-Karte und Safe nicht im Kopf haben, wird Vergesslichkeit zum Ärgernis. Warum nur können wir uns einiges gut und anderes überhaupt nicht merken? Warum gehen uns wichtige Dinge verloren, während uns unwichtige im Kopf bleiben? Und vor allem: Kann man das verhindern, steuern oder beeinflussen? Unser Gedächtnis gehört zu den am besten erforschten Bereichen des menschlichen Körpers. Und jeder Mensch kann dieses Wissen zu seinem Vorteil für sich nutzen. [K. Butz /1/] 3 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 3 Aufbau des Gehirns 3.1 Physischer Aufbau Unser Körper ist aus unterschiedlichen Bauteilen zusammengesetzt. Dazu gehören Organe wie das Herz oder die Lunge, Gewebe wie die Muskeln sowie Körperteile wie Arme und Beine. Das Gehirn ist die 'Steuerungszentrale'. Hier laufen Informationen aus allen Bauteilen zusammen und werden ausgewertet. Und von hier werden Befehle an alle diese Teile des Körper gesandt. Das Gehirn überwacht also die Funktion der einzelnen Bauteile und erteilt ihnen Anweisungen. [J. Fonds /2/] Bei der Geburt besteht das menschliche Gehirn aus etwa 13 Milliarden Nervenzellen. Täglich sterben rund 100 000 davon ab. Etwa ab dem 30. Lebensjahr nimmt auch das Gewicht des Gehirns ab. Von den ursprünglich 1400g sind im Alter von 80 Jahren nur noch etwa 1250g vorhanden. Durch Krankheiten und Alkoholmissbrauch kann sich der Gehirnzellenschwund drastisch erhöhen. Dies führt zu einer Abnahme der Leistungsfähigkeit des Gehirns. Abb. 2 Aufbau des menschlichen Gehirns A: Mittel- und Zwischenhirn B: Grosshirn, C: Nachhirn zwischen B und C: Kleinhirn D: Rückenmark 4 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 Das Nachhirn In diesem Teil des Gehirns befinden sich die Zentren für lebenswichtige Reflexe. Ein Beispiel für einen solchen Reflex ist der Husten. Gelangt Rauch oder Staub in die Atemwege, werden bestimmte Nerven gereizt. Dies hat ein kräftiges Ausstossen der Atemluft zur Folge, einen Vorgang, den wir 'Husten' nennen. Reflexe laufen auch dann ab, wenn wir schlafen oder bewusstlos sind. Das Zwischenhirn Hier werden Informationen, die von den Sinnesorganen kommen, ausgewertet und ans Grosshirn weitergeleitet. Ausserdem regelt das Zwischenhirn die inneren Bedingungen des Körpers. Ein Beispiel hierfür ist die Körpertemperatur. Das Kleinhirn Das Kleinhirn spielt bei der Erhaltung des Gleichgewichts und der Koordination von Bewegungen eine wichtige Rolle. Ist das Kleinhirn funktionsunfähig, können keine fliessenden Bewegungen mehr ausgeführt werden. Betroffene wirken ungelenk und taumeln wie Betrunkene. Das Mittelhirn Dieser Teil des Gehirns spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung unseres Bewusstseins. Ist die Aktivität des Mittelhirns gross, sind wir hellwach. Lässt sie nach, schlafen wir ein. Das Grosshirn Das Grosshirn ist der Ort des Bewusstseins. Hier werden die Informationen aus den Sinnesorganen verarbeitet. Mit Hilfe des Grosshirns können wir lernen, uns erinnern, beurteilen, Entschlüsse fassen und ausführen. Hier entstehen aber auch Gefühle wie Angst und Wut. [http://www.funonline.de/common/ratzke/hirn/natur/gehirn/index.htm /6/] 5 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 3.2 Funktionsweise des Gehirns Werden Sinneswahrnehmungen, Erfahrungen und Bewusstseinsinhalte registriert und über längere oder kürzere Zeit gespeichert und bei Bedarf reproduziert, dann spricht man von einer Gedächtnisleistung. Ein Beispiel: Während wir diese Zeile lesen, nehmen unsere Sinnesorgane eine Vielzahl von Eindrücken wahr, die sie über Nervenbahnen dem Grosshirn melden. Was unsere Augen registrieren, wird im Hinterhauptlappen in Einzelbilder und Bewegungen umgesetzt. Die Schallwellen aus dem Radio gelangen über die Ohren durch den Hörnerv in den Schläfenlappen. Genauso finden die Informationen von Tast-, Geruchs-, Geschmacks- und Gleichgewichtssinn ihren Weg in verschiedene Grosshirnareale. Und von dort gelangen sie ins sogenannte Limbische System, der zentralen Verteilerstelle im Gehirn. Als Tor zum Gedächtnis gilt der Hippocampus, die Zwischenablage der Information im Kurzzeitgedächtnis. Er ist dafür verantwortlich, neue Gedächtnisinhalte auf bestimmte Regionen im Grosshirn zu verteilen, wo sie gespeichert werden. An zweiter Stelle steht die Amygdala, in der Sinneseindrücke mit Emotionen verknüpft werden. Besonders effektiv wird gespeichert, was bei der Weitergabe vom Hippocampus an die Grosshirnrinde aktiv analysiert, also gedanklich in Einzelteile zerlegt wurde. Das erleichtert die spätere Suche und verkürzt die Zugriffszeiten auf die Infos. Die Daten werden so gespeichert, dass sie mit bereits existierendem Wissen ergänzt werden. Je grösser die Anzahl der Verbindungen mit bereits bestehendem Wissen, desto grösser ist die Wahrscheinlichkeit, dass auf die gespeicherten Informationen später zugegriffen werden kann. Ein Fussball-Fan speichert aktuelle Spielergebnisse schon bei einmaligem Lesen, während ein Uninteressierter die Liste der Spielergebnisse mühselig wie Vokabeln auswendig lernen muss. [R. Kotulak /4/] Auch der bisher nur für Bewegungen verantwortlich gemachte Cortex des Grosshirns ist am Gedächtnis beteiligt. Fertigkeiten, die man ein Leben lang nicht wieder verlernt, beispielsweise Fahrrad fahren oder Eislaufen, werden vor allem im Kleinhirn abgespeichert. Abb. 3 Sinnesverarbeitung 6 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 3.3 Serienausstattung des Menschen Wie funktioniert die Informationsübertragung? Bis zur Geburt wächst unser Gehirn um 250 000 Nervenzellen pro Minute, und mit etwa 100 Milliarden Nervenzellen gehen wir an den Start. Das menschliche Gehirn ist ein gigantisches, neuronales Netzwerk. In den ersten beiden Lebensjahren bilden sich die Fortsätze der Zellen aus und verknüpfen sich miteinander. Voraussetzung für präzise Verschaltungen sind aktive Reize für das Gehirn, etwa Farben, Stimmen, Gerüche und Bewegungen. Werden Babys nicht ausreichend gefordert, entwickeln sie sich auffallend langsam. Eine Nervenzelle kann mit bis zu 200 000 Nachbarzellen Querverschaltungen ausbilden. Die Anzahl der möglichen Verknüpfungen zwischen diesen Nervenzellen in einem einzelnen menschlichen Gehirn ist größer als die Gesamtzahl der Atome im ganzen bekannten Universum! Wie funktionieren nun diese Neuronen? Neuronen sind darauf spezialisiert, Informationen in Form von elektrischen Impulsen weiterzuleiten und zu übertragen. Ein Neuron besteht aus einem Zellkörper mit Kern und aus einer Reihe von faserartigen Fortsätzen. Nur eine einzige Faser, das sogenannte Axon, übermittelt Informationen. Die Dendriten - so heissen die anderen Fasern - erhalten Informationen von anderen Neuronen. Die Verbindung zwischen zwei Neuronen, das heisst zwischen dem Axon der einen Nervenzelle und einem Dendriten einer anderen Nervenzelle heisst 'Synapse oder synaptischer Spalt', weil dort ein winzig kleiner Zwischenraum ist. Abb. 4 Der synaptische Spalt Hier wird die Information von einer Nervenzelle an die nächste weitergegeben. Dies geschieht mit Hilfe von chemischen Wirkstoffen, die Neurotransmitter heissen. Sie befinden sich in kleinen Bläschen (Vesikeln) am Ende des Axons. 7 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 Die Information wird folgendermassen übertragen: Abb. 5 Informationsübertragung Eine Nervenzelle wird an ihren Dendriten durch einen elektrischen Impuls erregt. Dieser Impuls durchläuft die Zelle bis zum Axonende und bewirkt dort die Ausschüttung der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt. Die Neurotransmitter durchwandern den Spalt und verbinden sich kurzzeitig mit den Rezeptoren an den Dendriten des nächsten Neurons. Durch diese Verbindung ist nun die nächste Nervenzelle erregt worden. [http://www.funonline.de/common/ratzke/hirn/natur/gehirn/index.htm /8/] 3.4 Use it or lose it Bis vor kurzem glaubten die Neurologen, daß Wahrnehmungen und Gedanken jeweils einen eigenen, eng begrenzten Bereich im Gehirn hätten und daß einzelne Neuronen auf das Erkennen eines bestimmten Gegenstands spezialisiert seien. Diese Ansicht vertrat im Prinzip schon der Philosoph Sokrates im 5. Jahrhundert vor Christus. Doch die Forscher finden immer neue Hinweise darauf, daß das Gehirn beim Denken an verschiedenen Orten gleichzeitig arbeitet. Wenn wir uns an etwas erinnern, dann sind ungefähr 100 Millionen Nervenzellen beteiligt! Wie der Bizeps müssen auch Gehirnzellen trainiert werden. Und je trainierter, desto leistungsfähiger sind sie. Theoretisch ist die Erweiterung ihrer Kapazitäten sogar unbegrenzt. Am leistungsfähigsten ist das Gehirn eines etwa 20-Jährigen.Wird es ständig trainiert, bleibt es bis ins hohe Alter des Menschen funktions- und leistungsfähig. Bei einer chronischen Unterforderung jedoch nehmen Gedächtnisleistung, Auffassungsgeschwindigkeit und Kreativität ab. Gerade weil unser Denkorgan so anpassungsfähig auf die Umwelt reagiert, ist die Vorstellung vom Gehirn als Computer falsch. Wenn der Computer "lernt", werden speziell dafür vorgesehene Bereiche in seinem Speicher in Anspruch genommen. Dabei bleibt die Verdrahtung im Gerät selbst unverändert. Wahrnehmen und Denken sind dagegen Prozesse, die eine Veränderung der "Verdrahtung" im Gehirn, das heißt der Neuronenverbindungen, bewirken. Anders als beim Computer sind im Gehirn Hardware und Software also nicht getrennt, sondern eins - und höchst individuell. Jeder Mensch hat von Geburt an sein eigenes, unverwechselbares Nervenkostüm, das anfangs viel zu viele Verbindungen zwischen den Nervenzellen aufweist. Bis zum Ende der Pubertät entwickeln sich die Verschaltungsmuster, die dann das ganze Leben lang weitgehend funktionieren. Viele Forscher glauben, dass besonders die Nervenzellen ihre Funktion verlieren, die nicht oder kaum gefordert werden. Wer also möglichst viele Bereiche in seinem Gehirn mobilisiert, der kann seine Merkfähigkeit erhöhen und erhalten. [M. Szwillus /5/] 8 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 3.5 Soforthilfe gegen kleine Schwächen Was Sie tun können, wenn Ihr Gedächtnis Sie mal wieder im Stich lässt. Das „Es liegt mir auf der Zunge“-Phänomen: Damit es dort nicht bleibt, sprechen Sie einige Worte mit ähnlichem Klang aus. Das gesuchte Wort fällt Ihnen bestimmt ein, da das Gehirn Worte nach Bedeutung und Klang speichert. Blackout: Grosser Stress, zum Beispiel bei Prüfungen, manchmal aber auch beim Sex, bei dem vermutlich ein erhöhter Druck im Venensystem das Hirn in Mitleidenschaft zieht, kann den Informationsfluss hemmen. Wer so tollen Sex hat, ist zu beneiden. Die anderen sollten bei Prüfungsstress Entspannungsübungen machen. Eben wusste ich noch, was ich hier (sagen) wollte: Abhilfe: Halten Sie sich abwechselnd ein Nasenloch zu und atmen Sie durch das jeweils offene. So bringen Sie den 90-minütigen Takt, in dem die beiden Hirnhälften besonders aktiv sein sollen durcheinander. Dadurch fällt Ihnen womöglich das Entfallene wieder ein. Aber Vorsicht: Die Nase loslassen, wenn die Leute Sie angucken. Termin vergessen: Wenn Sie merken, dass Sie es vergessen haben, ist es ohnehin meist zu spät. Denken Sie sich eine gute Ausrede aus. Namen vergessen: Rufen Sie sich das Bild der Person ins Gedächtnis oder erinnern Sie sich an den Ort, an dem Sie sich kennen gelernt haben. Und vor allem: Hören Sie beim Vorstellen genau hin! Schlüssel weg: Rufen Sie sich den Moment vor Augen, in dem Sie die Schlüssel zuletzt in der Hand hatten. Rekonstruieren Sie, bis wohin der Schlüssel Sie begleitet hat. Ein fester Platz kann Ihnen das Suchen ersparen. [K. Butz /1/] 9 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 4 Der Lernprozess Stress Terminnot, Hetze, Verkehrsstress, Schlafentzugsstress, zehrender Konfliktstress Lärmstress, Informationsstress, Lernen soll in einer stresslosen Atmosphäre, die gesunden Leistungsstress nicht ausschliessen will, erfolgen. Angst ist ein schlechter Lehrmeister. Wir verstehen das Neue nur, indem wir es mit Altem assoziieren. Die Effektivität des Lernens ist zu einem hohen Grade dadurch mitbedingt, dass es von entsprechend positiven Gefühlseinfärbungen begleitet wird. Angstsituationen, Angst vor Strafe oder Überforderung, lösen negative Begleitgefühle aus, die im Extremfall bis hin zu massiven Konzentrations- und Gedächtnisstörungen führen können. Da Emotionen stets sowohl mit dem Lernstoff als auch mit dessen Vermittler (Lehrer) verbunden sind, müssen beide Faktoren primär positiv erfahrbar sein. 4.1 Möglichkeiten, Lernvorgänge zu blockieren 4.1.1 Die fehlgeleitete Information Verbinden sich mit einem gelernten oder einem zu lernenden Stoffinhalt negative Begleitgefühle (Unlust, Angst, Misserfolg oder Schmerzen), so entwickelt sich eine Abwehrhaltung. Der Organismus wehrt sich, mit diesem Gedanken zu arbeiten. Nur mit Glück oder durch Zufall oder aufgrund eines Geistesblitzes können fehlsortierte Gedanken dann wieder aufgefunden werden. 4.1.2 Die nicht zugängliche Information Wir vergessen viele negative Dinge. Negativ-Assoziationen wie Bestrafungen, Angst vor der 5 sind lernfeindliche Einflüsse. 10 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 4.1.3 Die unterbliebene Informationsspeicherung aufgrund einer Hormonblockade Ein auf Abwehr eingestelltes Wesen braucht um in Zehntel-Sekunden-Schnelle impulsiv reagieren zu können, erst einmal eine gesunde Blockade, welche die in diesem speziellen Moment äusserst hinderlichen sonstigen Reaktionen ausschaltet. Die Denkvorgänge werden deshalb blockiert, damit ein instinktähnlich ausgerichtetes Abwehrprogramm (das ist in Gehirn gespeichert ist) blitzschnell ablaufen kann. 4.2 Neun Lerntypen Der visuelle (durch Sehen Lernende) Der auditive (durch Hören Lernende) Der audio-visuelle (durch Sehen und Hören Lernende) Der Haptische (tastsinnorientierte) Der Olfaktorische (geruchsorientierte) Der Abstrakt-verbale (durch den Begriff und seine Begrifferhebungen Lernende) Der Kontakt- bzw. Personenorientierte Der Mediumorientierte Der Einsicht- bzw. Sinnanstrebende 11 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 Abb. 6 Lerntypen und ihre Eingangskanäle 12 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 Keiner dieser Typen besteht für sich allein. Vielmehr gibt es nur Mischtypen, die sich flexibel den jeweiligen Gegebenheiten anpassen können. Der eine lernt nur, indem er sieht, der andere nur, wenn er es auch hört, ein Dritter nur bei einer bestimmten Person, ein anderer nur mit seinem Medium, beispielsweise seinem Computer, ein weiterer nur, wenn er den Sinn der Lernaktion auch einzusehen vermag. Ein Umstand, der insbesondere bei der englischen Rechtschreibung, die so gut wie regellos ist, oftmals zum Tragen kommt. 4.3 Beispiel für das effiziente Lernen : Abb. 7 Wie lernt man effizient 13 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 5 Künstliche Intelligenz [A. Görz /3/] Um künstliche Intelligenz zu definieren, sollte man erst einmal auf das Thema Intelligenz eingehen. Für die Definition von Intelligenz gibt es drei wichtige Punkte. Diese Punkte beziehen sich auf bestimmte Fähigkeiten, die ein System aufweisen sollten, um intelligent agieren und reagieren zu können. Das erste Kriterium, ist die Fähigkeit, die Welt wahr nehmen zu können. Dies ist die wichtigste Fähigkeit. Ohne sie kann kein System auf äussere Gegebenheiten reagieren oder sich Verhaltensmuster aneignen. Zusätzlich muss ein Verstehen der Umwelt erfolgen. Das heisst, dass ein intelligentes System seine Umwelt in Verhaltens- oder Situationsmuster abbildet und die Folgen, die daraus entstehen verkettet. Zusätzlich kommt zu dieser Fähigkeit, dass Situationen und Aufgaben anhand eindeutiger Merkmale erkannt werden müssen, um ein Reagieren auf die einzelne Begebenheit oder Aufgabe zu gewährleisten. Als zweites Kriterium wird die Handlungsfähigkeit benannt. Sie drückt das Vermögen aus, Handlungen oder Reaktionen zu planen und sie auch auszuführen. Da eine Ausführung oft mit einer Aktion verbunden ist, muss die Bewegungsfähigkeit auch dazugezählt werden. Das dritte Kriterium ist die Sprachfähigkeit. Unter ihr versteht man Sprache zu produzieren und zu verstehen, was in einem Wort auch als kommunizieren beschrieben werden kann. Intelligent Systeme müssen Informationen austauschen können um ein Kontaktnetz von Wissen zu bilden. 14 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 5.1 WissenInnovationsmanagement über Zeit und Raum Gruppe Gehirn KI Wissen über Raum und Zeit Was geschieht wo und wann... •Zeitliche Abläufe •Handlungen •Ereignisse sollen herbeigeführt, beendet, abgebrochen werden, Situationen Voraussetzung für KI: Erkennen, Verstehen (Sprache), Verarbeiten, Handeln Lernen Abb. 8 Wissen über Zeit und Raum Dieses kann als das Werkzeug der Intelligenz bezeichnet werden. Es geht darum zeitliche Abläufe zu erkennen und in eine Reihenfolge zu bringen. Dies bedeutet, dass eine Beziehung zwischen einzelne Situationen und der Zeit geschaffen werden muss. Daraus ergeben sich einzelne Ereignisse. Am leichtesten lässt sich dies mit einer Filmszene vergleichen. Eine Szenen eines Filmstreifens besteht aus einzelnen Bildern, welche die Situationen abbilden. Werden nun diese Bilder in einen zeitlichen Zusammenhang gebracht, ergibt sich eine, Szene, ein Ereignis oder eben eine Handlung. Als Erkenntnis dieser Theorie ergibt sich, dass ein intelligentes System solche Ereignisse und ihre einzelnen Situationen herbeiführen, beenden bzw. bei Störung abbrechen können muss. Wird dies nun mit den erforderlichen Fähigkeiten eines intelligenten Systems verknüpft, ergeben sich folgende Voraussetzungen für die Künstliche Intelligenz: Erkennen, Verstehen, Verarbeiten und Handeln. Mithilfe dieser Voraussetzungen ist das System in der Lage einen Lernprozess zu generieren um Wissen zu bilden. 15 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 5.2 Maschinelles Lernen Innovationsmanagement Gruppe Gehirn KI Maschinelles Lernen ist... ...eine Veränderung des Systems, die es ihm erlaubt bei der Wiederholung derselben Aufgabe diese besser zu lösen. Problem: Erkennung der Aufgabe Beziehungen zu anderen und ähnlichen Aufgaben Vorbild: das menschliche Gehirn Abb. 9 Das maschinelle Lernen Unter maschinellem Lernen ist eine Veränderung des Systems zu verstehen, die es ihm erlaubt bei einer Wiederholung derselben Aufgabenstellung diese besser zu lösen. Dies bedeutet, Aufgaben werden erkannt, auf Merkmale analysiert, Beziehungen zu anderen, früher aufgetretenen Aufgaben hergestellt und Erkenntnisse aus der Lösung der früheren Aufgaben auf die neue Aufgabe übertragen um diese Effektiver zu lösen. Ein Problem das hierbei auftritt ist die Erkennung einer Aufgabe anhand fester Merkmale. Hierfür müssen gespeicherte Merkmale mit dem Merkmalsmuster der Aufgabe verglichen und diese identifiziert werden. Theoretisch würde dies kein Problem darstellen. Jedoch kann man selten erwarten immer dieselben Aufgaben, mit der selben Merkmalsstruktur zu begegnen. Vielmehr muss man davon ausgehen, dass sich eher ähnliche Aufgaben stellen, die sich nur durch geringe Merkmalsunterschiede auszeichnen. Also muss ein intelligentes in der Lage sein, Merkmale zu filtern, relevante Merkmale auszuwerten und irrelevante zu vernachlässigen. Als vorbildliches Beispiel dient hierfür das menschliche Gehirn. 16 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 5.3 Vorbild, Neuronale Netze Innovationsmanagement Gruppe Gehirn KI Neuronale Netz • Biologische Informationsverarbeitung • Übertragung auf technische Anwendung • Entwicklung von Theorien zu künstlichen neuronalen Netzen • Simulation auf Programmierbasis Abb. 10 Das neuronale Netz Das menschliche Gehirn besteht aus einer Unmenge menschlicher neuronaler Netze. Es wird nun versucht, dieses Netz auf elektronischer Basis nach zubauen. Künstliche Neuronale Netze arbeiten wie ihre natürlichen Vorbilder: Sie lernen durch Verstärkung/Dämpfung und herstellen/lösen von Verbindungen. Ein künstliches Neuron hat mehrere Eingänge, z.B. von anderen Neuronen, aber nur eine Ausgabe (wobei die Ausgabe an mehrere andere Neuronen gesendet werden kann). Jeder Eingang wird entsprechend der Verstärkung oder Dämpfung gewichtet und dann aufaddiert. Ist die Summe grösser als der Schwellenwert wird der Ausgang auf 1 gesetzt, sonst 0. Beim lernen kann sich die Verstärkung/Dämpfung der Verbindungen ändern, für grössere Netze ist aber gerade die Verschaltung der künstlichen Neuronen sehr wichtig. Diese kann entweder einmal festgelegt werden, oder sich auch während des lernens verändern. Um eine optimale Verschaltung zu erreichen werden häufig Optimierungsverfahren eingesetzt (u.a. Genetische Algorithmen). Dies könnte man auch mit einem Digitalen UND oder ODER Glied vergleichen. D.h., dass ein menschliches Gehirn rein theoretisch auch technisch aufgebaut werden kann. Und tatsächlich wird dies auch versucht, wobei diese Arbeit sich noch in ihren Kinderschuhen befindet. Mithilfe von Computerprogrammen wird versucht solche Netze aufzubauen und zu simulieren. 17 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 5.4 Anwendungen KI Innovationsmanagement Gruppe Gehirn Anwendung: •Spracherkennung •Simulation •Expertensysteme Der NORN • werden als "Ei" auf Diskette geliefert (genetischer Code) • schlüpfen und entwickeln sich • können lernen mittels Neuronaler Netze • durchlaufen verschiedene Lebensalter • reproduzieren sich durch "sexuelle" Fortpflanzung Abb. 11 Anwendungen für KI Aktuelle Anwendungen der KI werden immer vielfältiger und umfangreicher. Zum Beispiel werden diese Systeme für die Spracherkennung und Steuerung eingesetzt. Sie werden ebenfalls in Expertensystemen angewendet. Mit solchen Systemen werden Erkenntnisse bewiesen und es ist auch schon vorgekommen, dass mit Hilfe solcher Systeme neue Erkenntnisse erlangt wurden. Ein sehr interessantes Anwendungsgebiet bietet die KI in der Simulation. Bei einer Simulation ist es notwendig immer neue und unvorhersehbare Situationen zu schaffen. Dieses Konzept findet zum Beispiel bei Royal Air Force ihre Anwendung. Für die RAF wurden die sogenannten „Creaturs“ entwickelt. Creatures sind Computerprogramme, vergleichbar mit einem Tamagochi. Sie werden als „Ei“ auf Diskette geliefert und entwickeln sich zu einem einzigartigen Individuum. Das Ei enthält sozusagen die DNA. Die RAF setzt diese „Norns“ bei ihren Flugsimulatoren ein. Mit ihrer Hilfe werden unvorhersehbare Situationen geschaffen und so ein optimales Training ermöglicht. Es besteht sogar die Vision, dass eines Tages ein richtiger Jet mit einem solchen lernfähigen Programm geflogen werden kann. 18 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 6 Literaturverzeichnis 1. K. Butz, Mehr Watt für die Birne, Mens Health, Nr.12/99, Seite 123 2. J. Fonds, Das menschliche Gehirn, 1998, C. Brandstätter 3. A. Görz, Einführung in die KI, 1990, Berkley 4. R. Kotulak, Die Reise ins Innere des Gehirns, 1999, Junfermann 5. M. Szwillus, Brain Food für Genieser, 1998, Gräfe und Unzer 6. http://www.funonline.de/common/ratzke/hirn/natur/gehirn/index.htm, Stand 12/99 19 Innovationsmanagement Gruppe Gehirn WS 99 / 00 7 Fragenkatalog 1. Aus welchen Teilen besteht das Gehirn? Gross-, Mittel-, Kleinhirn, Zwischenhirn, Nachhirn, Rückenmark 2. Nennen Sie die Hauptaufgaben des Gross-, Mittel- und Kleinhirns. Grosshirn: Ort des Bewusstseins und Verarbeitung der von den Sinnesorganen gesendeten Informationen. Mittelhirn: Steuerung unseres Bewusstseins Kleinhirn: Verantwortlich für Gleichgewicht und Koordination von Bewegungsabläufen 3. Wie funktioniert die Informationsübertragung von Nervenzelle zu Nervenzelle? In Form von elektrischen Impulsen, auch Synapsen genannt. 4. Wie gehen Sie vor, wenn Sie einen Termin vergessen haben? Da es eh zu spät ist, lassen Sie sich eine gute Ausrede einfallen. 5. Nennen Sie 5 Lerntypen. visuell (sehen) auditiv (hören) auditiv + visuell (hören + sehen) haptisch (tastsinnorientiert) olfaktorisch (geruchsinnorientiert) 6. Beschreiben Sie „effizientes Lernen“ Goldene Regel für effizintes Lernen: Arbeitszeit – Lernzeit + Pausen + Verarbeitungszeit im Unterbewusstsein 7. Welches sind die Möglichkeiten, Lernen zu blockieren? - fehlende Informationen durch unangenehme Begleiterscheinungen - nicht zugängliche Informationen durch Negativ-Assoziationen - unterbliebene Info-Speicherung durch Hormonblockade 8. Nennen Sie die Kriterien der Intelligenz. - Fähigkeit der Wahrnehmungder Welt - Handlungsfähigkeit / Bewegungsfähigkeit - Sprachfähigkeit 9. Welches sind die Voraussetzungen für die Künstliche Intelligenz? Erkennen, Verstehen (Sprache), Verarbeiten und Handeln führen zum Ergebnis Lernen 10. Beispiele für die Anwendung von Künstlicher Intelligenz - Spracherkennung - Simulation - Expertensysteme 20
