Elektronisches System mit komplexen kognitiven Fähigkeiten entwickelt

23. Juli 2013, 19:50
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Schweizer Forscher vernetzen neuromorphe Mikrochips: Informationsverarbeitung des lebenden Gehirns in Echtzeit reproduziert

Schweizer Neuroinformatiker haben erstmals elektronische Systeme entwickelt, deren Funktionsweise mit jener eines lebenden Hirns vergleichbar sind. Das Netzwerk neuartiger Mikrochips ist dazu in der Lage, die Informationsverarbeitung des Gehirns in Echtzeit zu imitieren. Die Wissenschafter konnten zeigen, wie komplexe kognitive Fähigkeiten in diese sogenannten neuromorphen Chips eingebaut werden können.

Kein Computer arbeitet so effizient wie das menschliche Hirn. Daher ist es das Ziel vieler Wissenschafter, ein künstliches Gehirn zu entwerfen und schlussendlich auch zu realisieren. Neuroinformatikern der Universität Zürich und der ETH Zürich ist nun ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelungen: Sie haben sogenannte neuromorphe Chips entwickelt, die die Informationsverarbeitung des Gehirns in elektronischen Schaltungen imitieren und damit sensorische Signale effizient in Echtzeit verarbeiten können. Mithilfe dieser Chips konnten sie Datenverarbeitungssysteme bauen, die kognitive Fähigkeiten besitzen.

Lebende Neuronen nachgebildet

Die meisten Ansätze der Neuroinformatik beschränken sich auf die Entwicklung virtueller Hirnmodelle auf herkömmlichen Computern, oder bezwecken, komplexe Nervennetze auf Supercomputern zu simulieren. Den Ansatz der Zürcher Forscher, elektronische Schaltungen zu entwickeln, deren Größe und Energieverbrauch mit jenem echter Gehirne zu vergleichen ist, verfolgen nur wenige. "Unser Ziel ist es, die Informationsverarbeitung von biologischen Neuronen und Synapsen direkt auf Mikrochips nachzubilden", erklärt Giacomo Indiveri vom Institut für Neuroinformatik der Universität Zürich und ETH Zürich.

Die große Herausforderung ist, Netzwerke aus neuromorphen Neuronen so zu konfigurieren, dass sie bestimmte Aufgaben ausführen können. Das haben die Forscher erreicht: Sie entwickelten ein neuromorphes System, das mit nur wenigen hundert Neuronen eine komplexe sensomotorische Aufgabe in Echtzeit ausführen konnte. Die Aufgabe erforderte ein Kurzzeitgedächtnis und kontextabhängige Entscheidungsfindung – typische Eigenschaften, die für Kognitionstests benötigt werden.

Dabei verknüpfte Indiveris Team Verbunde neuromorpher Neuronen zu Netzwerken, die so genannte "Finite-State-Machines" implementierten. "Finite-State-Machines" sind ein mathematisches Konzept, um logische Abläufe oder Computerprogramme zu beschreiben. Ein Verhalten kann als "Finite-State-Machine" formuliert und somit automatisiert auf die neuromorphe Hardware übertragen werden. "Die Verbindungsmuster ähneln dabei stark Strukturen, die sich auch in Gehirnen von Säugetieren finden", so Indiveri.

Chips für beliebige Anwendungen konfigurierbar

Die Wissenschafter zeigen somit erstmals, wie mit neuromorphen Mikrochips ein Echtzeit-Datenverarbeitungssystem gebaut werden kann, dessen Verhalten der Benutzer vorgibt. "Dank unserer Methode lassen sich neuromorphe Chips für beliebige Verhaltensweisen konfigurieren. Unsere Ergebnisse sind grundlegend für die Entwicklung neuer hirn-inspirierter Technologien", meint Indiveri. Eine Anwendung wäre beispielsweise, die Chips mit sensorischen neuromorphen Bauteilen wie einer künstlichen Hörschnecke oder Netzhaut zu kombinieren, wodurch komplexe kognitive Systeme entstünden, die in Echtzeit mit ihrer Umgebung interagierten. (red, derStandard.at, 23.07.2013)

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