Klassische Konditionierung elektronisch nachgebaut

13. Mai 2012, 18:17
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Kieler Wissenschafter bilden Lernvorgänge des Gehirns mithilfe "lernender" Schaltkreise nach

Ein Pfiff mit der Hundepfeife und schon läuft dem Vierbeiner das Wasser im Munde zusammen: Der sogenannte "Pawlowscher Hund" gilt als Meilenstein bei der Erforschung von reflexartigen oder impliziten Lernvorgängen. Mit dem berühmten Experiment gelang dem russischen Wissenschafter Iwan Petrowitsch Pawlow erstmals der Nachweis der klassischen Konditionierung. Forschern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und dem dem Forschungszentrum Jülich ist es nun gelungen, mithilfe spezieller Bauelemente das Verhalten des Pawlowschen Hundes elektronisch nachzubilden.

Ist es aber möglich, mit elektronischen Bauelementen neuronalen, parallel arbeitenden Netzwerke nach biologischem Vorbild aufzubauen, damit Lernvorgänge zumindest ansatzweise nachgeahmt werden können? An dieser Schnittstelle zwischen Neurobiologie, Materialwissenschaft und Nanoelektronik arbeiten Wissenschafter der CAU und des Forschungszentrums Jülich. Ihnen ist es jetzt gelungen, das klassische Experiment aus der Verhaltenspsychologie elektronisch nachzubilden. "Dabei haben wir mit memristiven Bauelementen das assoziative Verhalten des "Pawlowschen Hundes" in einer elektronischen Schaltung umgesetzt", erklärt Hermann Kohlstedt, Leiter der Arbeitsgruppe Nanoelektronik an der CAU.

Kognitive Fähigkeiten elektronisch nachbilden

Memristoren sind eine Klasse elektronischer Bauelemente, die der Wissenschaft erst seit wenigen Jahren in hoher Qualität zur Verfügung stehen. Sie haben eine Art Gedächtnis für ihre früheren Widerstandswerte, was Einfluss auf die charakteristischen Eigenschaften des Materials hat. Forscher versuchen diese Gedächtnisfunktion zu nutzen, um Netzwerke aufzubauen, die denen der neuronalen Verbindung über Synapsen ähneln. "Unser langfristiges Ziel ist es, die synaptische Plastizität auf elektronische Schaltungen zu übertragen und damit sogar kognitive Fähigkeiten elektronisch nachzubilden", so Kohlstedt. Einen kleinen Schritt in diese Richtung konnten die Arbeitsgruppen der Uni Kiel und des Forschungszentrums Jülich aufzeigen.

Für das Projekt wurden zwei Spannungsimpulse über einen Memristor an einen Komparator gekoppelt, die repräsentativ das Futter und den Glockenton des Pawlowschen Experiments darstellten. Ein Komparator ist ein Schwellenwertgeber, der nur dann ein Ausgangssignal (stellvertretend für den Speichelfluss des Hundes) erzeugt, wenn der Schwellenwert erreicht wird. Darüber hinaus hat der Memristor ebenfalls einen Spannungsschwellenwert, der über die physikalischen und chemischen Prozesse im nanoelektronischen Memristor definiert ist. Unterhalb des Schwellenwertes verhält sich das Bauelement wie ein herkömmlicher linearer Widerstand. Wird jedoch die Schwellenwertspannung überschritten, so zeigt es eine hysteretische (veränderte) Strom-Spannungs-Kennlinie.

Assoziativen Lernprozess einer Schaltung

"Bei der Umsetzung des Experiments führte zunächst nur der Spannungsimpuls 1 (Futter) zu einem Ausgangssignal des Komparators, was als Speichelfluss definiert werden kann. Den anderen Spannungsimpuls 2 (Glocke) haben wir so gewählt, dass der Komparatorausgang keine Änderung zeigte, also im übertragenden Sinne keinen Speichelfluss hervorrief", sagt der CAU-Wissenschaftler Martin Ziegler, Erstautor der Publikation. Als dann beide Spannungsimpulse zeitgleich auf den Memristor gegeben wurden, wurde ein Überschreiten des Schwellenwertes beobachtet. So hat die Arbeitsgruppe die memristive Gedächtnisfunktion aktiviert.

Nach mehrmaligen Wiederholungen, so wie beim Pawlowschen Hund, führte dies zu einem assoziativen Lernprozess der Schaltung. "Danach nämlich reichte es aus, nur den Spannungsimpuls 2 (Glockenton) anzulegen, und der Komparator erzeugt ein Ausgangssignal, gleichbedeutend mit Speichelfluss", freut sich Ziegler über das Ergebnis. Der Spannungsimpuls 1 (Futter) erzeugt dieselbe Reaktion wie vor dem Lernen. Die elektronische Schaltung zeigte ein Verhalten, das in der Psychologie als klassische Konditionierung bezeichnet wird. Darüber hinaus war es sogar möglich zu zeigen, dass die Schaltung auch wieder verlernen konnte, wenn die Spannungsimpulse nicht mehr gleichzeitig angelegt wurden. (red, derstandard.at, 12.5.2012)


Abstract
Advanced Functional Materials: An Electronic Version of Pavlov's Dog

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