Forscher haben Mikrochips entwickelt, die sich wie Gehirnzellen verhalten

Microchips als Synapsen

Bildnachweis: Manel Torralba / Flickr

Das menschliche Gehirn dient als Vergleich für die Funktionsweise des Computers. Aber ehrlich gesagt, Computer sind kein menschliches Gehirn, zumindest noch nicht. Das könnte sich  jedoch bald ändern, da Forscher eine Computertechnologie entwickelt haben, die Licht verwendet, um die Funktionalität der Synapse eines Nervs nachzuahmen.

Gehirne und Computer sind beides Systeme, die Informationen modellieren, manipulieren und speichern können. Das war es dann auch mit der Gemeinsamkeit. Während Prozessoren in Computern elektrische Impulse mit winzigen Ein-/Aus-Schaltern kombinieren, nutzen Neuronen chemische Botenstoffe, um Impulse über mehrere  Synapsen, zu verteilen. Der Unterschied ist signifikant, was den Speicher- und Stromverbrauch betrifft. Keine Hardware kann der Effizienz und Speicherkapazität eines menschlichen Gehirns annähernd gerecht werden. Nicht, dass unsere grauen Zellen All-Star-Performer sind; diese Wellen von Elektrolyten und Neurotransmittern können nicht die Geschwindigkeit von Elektronen schlagen, die durch logische Schaltungen fließen.

Ein Forscherteam der Universitäten Oxford, Münster und Exeter hat das, was es als "heiligen Gral" der Datenverarbeitung betrachtet wird, zu einem photonischen integrierten Schaltkreis zusammengeschweißt, der wie eine Synapse wirkt.

"Die Entwicklung von Computern, die mehr wie das menschliche Gehirn funktionieren, ist seit Jahrzehnten ein heiliger Gral von Wissenschaftlern", sagt der leitende Forscher Harish Bhaskaran von der Universität Oxford.

"Über ein Netzwerk von Neuronen und Synapsen kann das Gehirn mit nur wenigen zehn Watt Leistung riesige Informationsmengen gleichzeitig verarbeiten und speichern. Konventionelle Computer können nicht annähernd an diese Art von Leistung herankommen."

Technisch gesehen basiert Euer Desktop-Computer auf der von Neumann-Architektur, benannt nach dem bekannten Mathematiker und Physiker John von Neumann. Das heißt, es gibt Einheiten von Prozessoren für die Handhabung von Logik und Speicher. Euer Gehirn hat keine CPU vorne und keine Festplatte hinten. Neuronen, die in einem verzweigten Netzwerk miteinander verbunden sind und durch winzige synaptische Brücken voneinander getrennt sind, sind All-in-One-Prozessoren und Speichergeräte. Um zu funktionieren, öffnen und schließen sich die Kanäle in der Nervmembran des Nervs und senden Wellen von geladenen Ionen, die in einer Niederspannungswelle hinein- und herausströmen. Diese werden durch andere chemische Prozesse an den Spitzen der Nervenäste vermittelt. Abhängig von Faktoren wie der Stärke oder Frequenz der Welle, können die Neurotransmitter die Nachricht fortsetzen, indem sie  über die Lücke zu anderen Nerven springen. Dieser kleine Sprung am Ende eines Nervs ist das Ende der neuronalen Verarbeitung, die wie ein Verkehrskontrollbeamter fungiert, der ein Signal stoppt oder beschleunigt.

Als synaptische Plastizität bezeichnet, können Veränderungen in diesem Kontrollpunkt erklären, wie wir neue Informationen erlernen und verarbeiten, einige Schaltkreise stärken und andere verwelken lassen.

Das so genannte neuromorphe Computing strebt danach, diese Art der Kombination von Verarbeitung und Speicher in einem System zu replizieren, um Biologie und künstliche Intelligenz noch enger zusammenzuführen. Der Trick bestand darin, einen Prozessor zu bauen, der das kann, was eine Synapse kann.

"Da die Synapsen die Neuronen im Gehirn um etwa das 10.000 bis 1 übertreffen, muss jeder Computer, der dem Gehirn ähnelt, in der Lage sein, eine Form von synaptischer Mimik replizieren. Das haben wir hier getan", sagt Wolfram Pernice von der Universität Münster. Die künstliche Synapse des Teams basiert auf Strukturen aus einem Phase-Change-Material (PCM), das signifikante Energiemengen speichert und freisetzt, wenn es von einem Zustand in einen anderen wechselt. Lichtwellen werden durch das Material geleitet, wobei optische Impulse das PCM so schalten, dass es die Plastizität einer Synapse imitiert. Die Konzepte sind zwar nicht neu, aber zum ersten Mal in der Praxis umgesetzt.

"Elektronische Computer sind relativ langsam, und je schneller wir sie machen, desto mehr Strom verbrauchen sie", sagt der Forscher C David Wright von der University of ExeterKonventionelle Computer sind auch ziemlich' stumm', ohne die eingebauten Lern- und Parallelverarbeitungsmöglichkeiten des menschlichen Gehirns." Neuromorphe Prozessoren auf der Basis von Licht sehen wie die perfekte Verschmelzung von Verstand und Maschine aus. Die Frage ist nur, wie lange muss ich jetzt noch warten, bis mein Gehirn aufgerüstet wird?

Damit sind die Forscher nicht die einzigen auf der Welt, wie ich vor kurzem über künstliche Synapsen berichtet habe. Auch der IBM Konzern arbeitet daran ein Gehirn zu simulieren. Diese Chips könnten der Schlüssel sein um die Forschungen weiter voranzutreiben. 

Diese Studie wurde in Science Advances veröffentlicht.

Via sciencealert.com

Veröffentlicht in Wissenschaft & Forschung.

Sammy Zimmermanns

Hallo, ich schreibe hier im Blog.