Intelligenzen
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Das Gehirn als Computer Der Computer als Gehirn Fachvortrag Dipl. Inf. Ulrich Dinger 12.06.2009 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. Dipl. Inf. Ulrich Dinger 2 /39 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 EUProjekt 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 3 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 4 /39 Das Gehirn als Computer – Der Computer als Gehirn Inhalt 1. Überblick über die Funktionsweise des Gehirns (ReverseEngineering) 2. Die Informatik als Hilfsmittel Erlangen der Informationen Sind wir selbst nurzum simuliert? 3. Die Informatik als Kann Mittel zumBekommen Schaffen künstlicher Intelligenz man töten? Sie Menschenrechte? (Forward-Engineering) Wozu bauen? 4. Hybride Ansätze Philosophie Gibt es denkende/fühlende Maschine? Theologie Dürfen wir „Gott“ spielen? Gibt es eine Seele? Informatik Entwicklung technischer Hilfsmittel zur Analyse Nutzung der gewonnenen Informationen Zur Realisierung. Ethik Dürfen wir (u.U. grausame) Versuche an Menschen und Tieren vornehmen, um Wissen zu erlangen? Neurowissenschaften Erforschen der Funktionsweise von Nervensystemen Dipl. Inf. Ulrich Dinger 5/39 Definition „Computer“ Ein Computer (wörtlich: "Rechner") ist ein programmierbares Gerät zum Ausführen von Berechnungen und logischen Entscheidungen und zur Verarbeitung von Daten. Dipl. Inf. Ulrich Dinger 6 /39 1. Überblick über die Funktionsweise des Gehirns (Reverse-Engineering) Dipl. Inf. Ulrich Dinger 7 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 8 /39 Technische Daten des Menschen Aufbau: Organisch, kohlenstoff-basiert, 5060% Wasser Optimale (innere) Betriebstemperatur: 37°C Durchschnittliche Größe (w/m): 165-170/175180cm 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 9 /39 Das EVA-Prinzip Eingabe Verarbeitung Ausgabe Rechner Eingabegeräte Ausgabegeräte = Wahrnehmung -Visuell -Auditiv -Olfaktorisch -Gustatorisch -Haptisch Zentralprozessor -Gliedmaßen/Gesten -Stimme -Gerüche -... Speicher Dipl. Inf. Ulrich Dinger 10 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 11 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 12 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 13 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 14 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 15 /39 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. Dipl. Inf. Ulrich Dinger 16 /39 2. Die Informatik als Hilfsmittel zum Erlangen der Informationen Dipl. Inf. Ulrich Dinger 17 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 18 /39 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) Dipl. Inf. Ulrich Dinger 19 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 20 /39 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 gefährlich Dipl. Inf. Ulrich Dinger 21 /39 Positronen-Emissions-Tomographie Grundlage: Emittierung von BetaStrahlung (Positronen) Funktionsweise: Bei Wechselwirkung mit Elektron 2 Photonen in 180°-Winkel ausgesandt Rekonstruktion: Ring-Detektor für Photonen; zeitlich und räumliche Verteilung der Zerfallsereignisse Vorteile Kombination PET/CT und PET/MRT Hirnstoffwechsel wahrnehmbar Nachteile Hohe Kosten Strahlenbelastung Dipl. Inf. Ulrich Dinger 22 /39 3. Schaffen künstlicher Intelligenz (Forward-Engineering) Dipl. Inf. Ulrich Dinger 23 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 24 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 25 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 26 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 27 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 28 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 29 /39 4. Hybride Ansätze Dipl. Inf. Ulrich Dinger 30 /39 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, …) Dipl. Inf. Ulrich Dinger 31 /39 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$ Dipl. Inf. Ulrich Dinger 32 /39 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) Dipl. Inf. Ulrich Dinger 33 /39 Zusammenfassung und Ausblick Dipl. Inf. Ulrich Dinger 34 /39 Zusammenfassung Mensch als komplexer, sehr leistungsfähiger AnalogComputer; 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) Dipl. Inf. Ulrich Dinger 35 /39 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 Dipl. Inf. Ulrich Dinger 36 /39 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? Dipl. Inf. Ulrich Dinger 37 /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? Dipl. Inf. Ulrich Dinger 38 /39 42 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Dipl. Inf. Ulrich Dinger 39 /39
