Sieht aus und denkt wie ein Gehirn?

Der Artikel „DARPA Building Robots With ‘Real’ Brains“, der im Blog des National Defense Magazine veröffentlicht wurde, erregte im Web stellenweise großes Aufsehen. Im April 2013 berichtete die Autorin darin von einem Forschungsprojekt, das von der US-amerikanischen Defense Advanced Research Projects Agency oder kurz DARPA, finanziert wird. Die winzige Maschine „sieht aus und ‘denkt’ wie ein Gehirn“ zitierte sie einen der beteiligten Wissenschaftler. Was steckt hinter dieser Aussage?

Bei dem genannten DARPA-Forschungsprojekt handelt es sich offenbar um SyNAPSE (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics), das 2008 startete und bis etwa 2016 laufen soll. Das Ziel der vierten und letzten Projektphase ist sehr ehrgeizig: die Konstruktion eines kompakten neuromorphen Multichip-Systems, das mindestens 100 Millionen Gehirnzellen nachahmt und einen Roboter etwa so intelligent wie eine Katze macht. Solch ein künstliches Gehirn soll aus Erfahrung lernen und Zusammenhänge erkennen können. Auftragnehmer des Projekts sind IBM und HRL Laboratories sowie mehrere US-amerikanische Universitäten als Subauftragnehmer.

Noch werden allerdings auf den Mikrochips nicht die Zigmilliarden Neuronen und Synapsen künstlich per Hardware nachgebildet – dies ist das Endziel -, sondern die Neuronen und ihre Vernetzungen werden per Software simuliert. Dazu wurde von IBM ein massiv parallel arbeitender kortikaler Simulator entwickelt, der auf dem Blue Gene/P Supercomputer am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien läuft, auf 147.456 CPUs und 144 Terabytes Hauptspeicher. Die Simulation lief etwa 640 Mal langsamer ab als die Vorgänge in einem wirklichen Gehirn.

Der Aufbau des simulierten Neuronen-Netzwerks wurde dem Gehirn der Säugetiere abgeschaut. Unter anderem wurden Schichten der Sehrinde sowie der vorgeschaltete Thalamus simuliert, insgesamt bis zu 1,6 Milliarden Neuronen und 8.870 Milliarden Synapsen. Im November 2009 wurde auf dieser Basis die Simulation des Großhirns einer Katze vermeldet. Zum Vergleich: Im menschlichen Gehirn sind schätzungsweise etwa 100 Milliarden Neuronen über 100.000 Milliarden Synapsen miteinander vernetzt. Aber!

Sein erster Kritikpunkt: Die Zahl der simulierten Neuronen entspräche zwar etwa der eines Katzenhirns, aber das mathematische Modell der einzelnen Neuronen sei punktförmig, extrem vereinfacht und unrealistisch. Allein in einem Neuron seien die biochemischen und biophysikalischen Vorgänge unglaublich komplex, es müssten Millionen von Differentialgleichungen gelöst werden, um sie zu simulieren. Eben das würde der IBM-Simulation völlig fehlen.

Sein zweiter Kritikpunkt: Eugene Izihkevich hätte bereits im Jahr 2005 100 Milliarden trivialer Neuronen auf einem PC-Cluster simuliert.

Die Software-Entwicklung ist seit 2009 bei IBM weitergegangen, während HRL Laboratories und mehrere Universitäten die Harware entwickeln, die irgendwann die Nervenstrukturen des Gehirns nachahmen soll. Im November 2012 wurde die von IBM entwickelte kognitive TrueNorth-Architektur auf einem weiteren Supercomputer simuliert. Wenn die entsprechende gehirnähnliche Hardware verfügbar ist, soll TrueNorth direkt in dieser implementiert werden. In dieser Simulation arbeiteten bereits so viele Neuronen und Synapsen wie im menschlichen Gehirn, allerdings wieder extrem vereinfacht und biologisch völlig unrealistisch.

Mit diesem System wurden grundlegende Anwendungen künstlicher Intelligenz demonstriert, etwa im Zusammenhang mit Zeichenerkennung, Bild- und Ton-Klassifizierung, optischem Fluss, Roboter-Navigation, zeitlicher und räumlicher Merkmalsgewinnung.

Von der Simulation eines Säugetiergehirns mit dessen Fähigkeiten scheint diese Entwicklung noch sehr weit entfernt zu sein. Und das ist vielleicht auch gut so.

Links

DARPA Building Robots With ‘Real’ Brains
http://www.nationaldefensemagazine.org/blog/Lists/Posts/Post.aspx?ID=1101

Original DARPA-Dokument zu SyNAPS (Broad Agency Announcement veröffentlicht in Federal Business Opportunities)
https://www.fbo.gov/download/0b6/0b62b2149395d4bd8a28dff1b9046944/BAA08-28.doc

Henry Markram: IBM’s claim is a hoax
http://technology-report.com/2009/11/neuroscience-expert-dr-henry-markram-on-the-ibm-cat-brain-simulation-ibms-claim-is-a-hoax/

Eugene Izihkevich: Simulation of Large-Scale Brain Models
http://www.izhikevich.org/human_brain_simulation/Blue_Brain.htm#Simulation%20of%20Large-Scale%20Brain%20Models

DARPA-Projektseite
http://www.darpa.mil/Our_Work/DSO/Programs/Systems_of_Neuromorphic_Adaptive_Plastic_Scalable_Electronics_%28SYNAPSE%29.aspx

IBM-Projektseite
http://ibm.com/synapse

HRL-Projektseite
http://hrl.com/cnes

Human Brain Project
http://www.humanbrainproject.eu

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