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Das Gehirn als Computer - Der Computer als Gehirn Fachvortrag Dipl. Inf. Ulrich Dinger 12.06.2009.

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Präsentation zum Thema: "Das Gehirn als Computer - Der Computer als Gehirn Fachvortrag Dipl. Inf. Ulrich Dinger 12.06.2009."—  Präsentation transkript:

1 Das Gehirn als Computer - Der Computer als Gehirn Fachvortrag Dipl. Inf. Ulrich Dinger

2 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 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. 2

3 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 Bildungsweg/Beruflicher Werdegang 10/1999 – 11/2004Studium der Informatik an der TUD; Diplomarbeit bei der Siemens AG in München 01/2005 – 06/2009Promotion im Fach Informatik an der TUD/ Siemens AG (München und Erlangen), Mitarbeit an EU- Projekt sowie verschiedenen Projekten in der Wirtschaft 10/2006 – 04/2007Praktikum bei Siemens Corporate Research in Princeton/NJ (USA) 05/2007 – heuteSelbständige Mitarbeit bei Siemens Building Technologies in München 3

4 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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,

5 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 5 Das Gehirn als Computer – Der Computer als Gehirn Inhalt Philosophie Sind wir selbst nur simuliert? Gibt es denkende/fühlende Maschine? Kann man töten? Bekommen Sie Menschenrechte? Wozu bauen? Ethik Dürfen wir (u.U. grausame) Versuche an Menschen und Tieren vornehmen, um Wissen zu erlangen? Theologie Dürfen wir Gott spielen? Gibt es eine Seele? Neurowissenschaften Erforschen der Funktionsweise von Nervensystemen Informatik Entwicklung technischer Hilfsmittel zur Analyse Nutzung der gewonnenen Informationen Zur Realisierung. 1.Überblick über die Funktionsweise des Gehirns (Reverse- Engineering) 2.Die Informatik als Hilfsmittel zum Erlangen der Informationen 3.Die Informatik als Mittel zum Schaffen künstlicher Intelligenz (Forward-Engineering) 4.Hybride Ansätze

6 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 Definition Computer Ein Computer (wörtlich: "Rechner") ist ein programmierbares Gerät zum Ausführen von Berechnungen und logischen Entscheidungen und zur Verarbeitung von Daten. 6

7 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 1.Überblick über die Funktionsweise des Gehirns (Reverse-Engineering) 7

8 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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 8

9 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 Technische Daten des Menschen Aufbau: Organisch, kohlenstoff-basiert, % Wasser Optimale (innere) Betriebstemperatur: 37°C Durchschnittliche Größe (w/m): / cm 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 9

10 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 Das EVA-Prinzip EingabeVerarbeitungAusgabe Eingabegeräte = Wahrnehmung -Visuell -Auditiv -Olfaktorisch -Gustatorisch -Haptisch Ausgabegeräte -Gliedmaßen/Gesten -Stimme -Gerüche -... Zentralprozessor Speicher Rechner 10

11 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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 11

12 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 Die Grundbausteine Kleinste Einheit = Neuron Auf Erregungsleitung spezialisierte Zellen ca Neuronen, verbunden durch Synapsen Geschwindigkeit der Informationsübertragung: ca. 120m pro Sekunde Neurotransmitter = chemische Botenstoffe 5-100µm 12

13 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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 13

14 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 Leistungsfähigkeit bis 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 14

15 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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 15

16 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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. 16

17 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 2.Die Informatik als Hilfsmittel zum Erlangen der Informationen 17

18 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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 18

19 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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) 19

20 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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 20

21 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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 21

22 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 Positronen-Emissions-Tomographie Grundlage: Emittierung von Beta- Strahlung (Positronen) Funktionsweise: Bei Wechselwirkung mit Elektron 2 Photonen in 180°-Winkel ausgesandt Rekonstruktion: Ring-Detektor für Photonen; zeitlich und räumliche Verteilung der Zerfallsereignisse Kombination PET/CT und PET/MRT Vorteile Hirnstoffwechsel wahrnehmbar Nachteile Hohe Kosten Strahlenbelastung 22

23 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 3.Schaffen künstlicher Intelligenz (Forward-Engineering) 23

24 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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 % Täuschungsquote 10/2008 University of Reading 6 Programme beste 25% Probleme: Datenbank mit möglichen Gesprächsverläufen reines Durchsuchen würde schon Intelligenz bedeuten 24

25 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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 25

26 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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 26

27 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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 27

28 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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 28

29 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 Forschung FACETS EU-Projekt im Rahmen des Information Society Technologies (IST) Siliziumchip, 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 29

30 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 4.Hybride Ansätze 30

31 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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, …) 31

32 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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$ 32

33 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 Forschung/Zukunft Neurointerface Nutzung als Speichermedium bzw. Upload von Daten ins Gehirn Problemstellungen ozuverlässige, möglichst risikoarme Schnittstelle oUmwandlung in Neuralen Code Erste Ansätze okegelförmige Elektrode, in die Nervenzellen einwachsen können oSteuerung Sprachsynthesizer (bisher nur Vokale) 33

34 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 Zusammenfassung und Ausblick 34

35 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 Zusammenfassung Mensch als komplexer, sehr leistungsfähiger Analog- Computer; 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) 35

36 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 Ausblick Das eben nenne ich Plagieren. [..] Ein neuer Mythos ist entstanden, Tichy, der Mythos, einen >Homunkulus synthetisches Hirn< sein, geschaffen nach dem Vorbild des Menschen? Wozu? Um zu den drei Milliarden Eiweißwesen noch eines hinzuzufügen, [..]? Stanislav Lem: Doktor Diagoras,

37 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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? 37

38 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /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? 38

39 Dipl. Inf. Ulrich Dinger /39 42 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit 39


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