Dimensionen des Geistes
Teil 3

Textmarken: Unsere Nerven,    Das Perceptron,    Expertensysteme


Unsere Nerven

Geschichtliches

Seit Urbeginn gehört zum menschlichen Denken das Nachdenken über das Denken und seine Rückverbundenheit zum Organismus. Und doch ist das Korrelat zwischen Denken und Gehirn erst relativ spät entdeckt worden: "Ist es das Blut, mit dem wir denken, oder die Luft oder das Feuer?", fragte Alkamaion von Kroton (etwa 500 v. Chr.) und antwortete: "Solange das Gehirn unversehrt ist, solange hat auch der Mensch seinen Verstand ... Daher behaupte ich, daß es das Gehirn ist, das den Verstand sprechen läßt." (Quelle: ST-Computer 10/1989)

Der römische Arzt Arzt Galenus lehrte im zweiten Jahrhundert nach Christus, daß das Gehirn die Bewegungen und die Empfindungen des Menschen steuert, indem es einen "Pneuma" genannten Stoff erzeugt, der sich in unsichtbaren Kanälen in den Nerven bewegt. (Spektrum der Wissenschaft, "Gehirn und Nervensystem")

Die gesellschaftlichen Kräfte zur systematischen Erforschung des Gehirns wurden aber erst frei, als die Kirchen im 19. Jahrhundert ihre Glaubwürdigkeit allmählich einbüßten und die Erfolge auf verschiedenen technischen Gebieten zur Entwicklung feinfühliger Meßinstrumente führten.

Einige technische Leistungsdaten des Nervensystem

Die Nervenleitgeschwindigkeit beim Axon des Tintenfisches beträgt ca 25 m/sec. Die Wirbeltiere haben das Problem der raschen Weiterleitung von Nervensignalen besser gelöst. Sie besitzen Nervenfasern, die von einer Markscheide (Myelinhülle) umgeben sind. Diese Hülle weist in Abständen von ein bis zwei Millimetern Einschnürungen (Ranviersche Schnürringe) auf, und die Nervenimpulse "springen" von einem Ring zum nächsten. Auf diese Weise entstehen Leitungsgeschwindigkeiten bis zu ca 100 m/sec. Ohne die Myelinhülle müßte eine Nervenfaser 25-mal so dick sein, um ein Aktionspotential mit gleicher Geschwindigkeit zu leiten. Die Reizleitung ist nicht für alle Nervenbahnen gleich hoch, sondern kann zwischen 1 m/sec und ca 130 m/sec differieren. Vergleich: Signale in einem elektrischen Leiter (z. B. in Kupfer) bewegen sich mit ca 100 000 km/sec. Die höhere Geschwindigkeit kommt dadurch zustande, weil nur Elektronenpakete verschoben werden. Im Nervensystem werden dagegen die Signale auf elektrochemischem Wege durch die Verschiebung von Ionenpaketen übertragen. Entscheidend für die Verarbeitung des Signals im Computer ist die Schaltzeit für die Umsetzung der einzelnen Befehle (sie liegt im nano-Sekundenbereich) und die Taktfrequenz (Anzahl der Signale pro Sekunde, die gewertet werden können).

Die Natur der Nerven-Signale

Das Nervensignal ist elektrochemischer Natur (Austausch von Kalium- und Natrium-Ionen oder an den Synapsen Aussendung eines Neurotransmitters, z. B. Gamma-Aminobuttersäure). Von etwa 30 Substanzen weiß oder vermutet man, daß sie im Gehirn als Neurotransmitter wirken. Die Neurotransmitter haben nicht bei allen Nervenzellen die gleiche Wirkung. Es gibt Nervenzellen, bei denen ein Transmitter erregend wirkt, der auf die Synapsen eines anderen Nervenzelltyps hemmend wirkt.

Auf einer Nervenfaser bewegt sich das Signal grundsätzlich nur in einer Richtung. Die Höchstamplitude (Stärke des Signals) beträgt ca 80 mV (Milli-Volt=tausendstel Volt, Vergleich: Das öffentliche Stromnetz hat 220 V, bzw. bei Drehstrom (Herd) 380 V).

Die Impulsdauer

Die Impulsdauer beim Nervensignal beträgt nur ca 1 msec (Milli- Sekunde). Die Impulsfrequenz (Anzahl der Impulse pro Sekunde) ist bei Nervensignalen recht unterschiedlich. Es gibt Nervenzellen, die periodisch ein Signal abgeben, z. B. die Nervenzellen, die unser Herz schlagen lassen, und es gibt Nervenzellen, die erst ein Signal abgeben, wenn sie eine bestimmte Anzahl von Impulsen empfangen haben. Wieder andere Nervenzellen senden aufgrund biologischer Vorgänge im Inneren der Zelle.

Die bewußt empfundene Intensität eines Nervensignals ist umso intensiver je höher die Frequenz des Nervensignals ist. Maximal liegt diese Frequenz bei ca 250 Hertz(= 250 Impulse pro Sekunde). Die Amplitude eines Nervensignals (Impulsstärke) bleibt annähernd gleich bei ca 80 mV.

Zum Vergleich wieder das öffentliche Stromnetz: Der Strom wird in der BRD mit 50 Hertz eingespeist. Das heißt 50 Impulse in positiver Stromrichtung und 50 Impulse in negativer Stromrichtung pro Sekunde. Home-Computer werden heute (2002) mit bis zu 1 Giga-Hertz Taktfrequenz (1 Milliarde Hertz) betrieben.

Anzahl der Nervenzellen im Gehirn:

Ca 100 Milliarden.

Anzahl der Nervenfasern pro Nervenzelle:

Die Anzahl der Verbindungen zu anderen Nervenzellen ist von Nervenzelle zu Nervenzelle verschieden. Sie hängt von der Art und der Funktion der Nervenzelle ab. Schätzungen gehen davon aus, daß eine Nervenzelle von bis zu 100000 Zellen (dies müssen nicht unbedingt Nervenzellen sein) Signale empfangen kann und über die Verästelungen des Axons an bis zu 10000 Nervenzellen oder andere Zellen Signale weitergeben kann.

Die Größe der Nervenzelle:

Die von der Nervenzelle ausgehenden Nervenfasern (Dendriten), die die Nervensignale weiterleiten können mehrere Millimeter oder sogar mehrere Zentimeter lang sein. Das Axon der Nervenzelle kann sogar über einen Meter lang sein. Die Nervenzelle selbst hat nur einen Durchmesser von ca 30 Tausendstel Millimeter. Die Dicke der Membran einer Nervenzelle beträgt nur ca 5 Millionstel Millimeter.

Mehr zum Thema Nervenzelle unter  http://www.zum.de/Faecher/Bio/BW/bio/neuron/neuro10.htm

 

Erste technische Ansätze zur künstlichen Intelligenz

Das Perceptron

Das Perceptron besteht aus einer gitterartigen Netzhaut. Das Bild wird darauf als Punktemuster abgebildet. Dieses Punktemuster wird nun von sogenannten "lokalen Dämonen" auf bestimmte Punktmuster abgefragt, die als kleine quadratische Schablonen darüber gelegt werden. 

Stimmt das Muster überein, gibt der lokale Dämon eine Meldung an den "Oberdämon". Ansonsten bleibt der lokale Dämon stumm. Auf diese Weise wird das ganze Bild auf bestimmte Merkmale untersucht. Der Oberdämon kann nun aufgrund der abgegebenen Meldungen entscheiden welches Muster vorliegt. Das Perceptron kann auf diese Weise bestimmte geometrische Muster, aber auch genormte Schriftzeichen erkennen. Noch Anfang der 60iger Jahre hoffte man mit diesem Prinzip künstliche Intelligenz erzeugen zu können. Aber 1969 veröffentlichten Marvin L. Minsky und Seymour Papert eine Arbeit, in der sie darlegten, was ein Perceptron nicht kann. Sie konnten nachweisen, daß ein Perceptron nicht in jedem Fall feststellen kann, ob eine Figur zusammenhängend ist oder nicht. Das war das Aus für die Weiterentwicklung des Perceptrons.

 

Wissenbasierte Systeme - Expertensysteme

Die Entwicklung künstlicher Intelligenz versuchte man nun mit so genannten wissenbasierten Systemen. Man entwickelte hierzu Programmiersprachen wie PROLOG oder LISP, die neben der Eingabe von Daten auch die Eingabe von logischen Beziehungen zwischen diesen Daten erlauben. Expertensysteme sind Programme, die unter Verwendung eines Schlußfolgerungsmechanismus, der sogenannten Inferenzmaschine, das Verhalten eines menschlichen Experten bei der Lösung eines Problems auf einem Spezialgebiet simulieren können. Diese Systeme arbeiten sozusagen mit Check-Listen. Der Anwender muß eine Reihe von Fragen beantworten und das Programm verzweigt aufgrund der Wissenbasis entweder zu weiteren Fragen oder es erstellt eine Diagnose und gibt Hinweise, welche Maßnahmen getroffen werden müssen.

Begriffen wie Angst oder Zorn kann ein wissenbasiertes System Erklärungen zuordnen, wie sie in Lexika zu finden sind. Hier hat der Computer natürlich seine Grenzen, weil er kein biologisches System ist und daher solche Systemwirkungen bei ihm nicht auftreten, aber vielleicht treten stattdessen andere Systemwirkungen bei ihm auf.

Wissenbasierte Systeme sind u. a. heute bei der Feuerwehr im Einsatz. Große Kliniken werten Fragebogen mit solchen Systemen aus und erstellen aufgrund der angegebenen Beschwerden und der Blutwerte eine Diagnose. Übersetzer lassen sich von solchen Systemen Rohübersetzungen geben, die heute nur noch wenig nachbearbeitet werden müssen. Solche Systeme übertreffen den einzelnen Menschen mit ihrer Speicherkapazität und mit der Fähigkeit Millionen möglicher Fälle innerhalb kurzer Zeit prüfen zu können. Ein einzelner Mensch kann sich nicht das merken, was in Dutzenden von Büchern steht, die als Wissenbasis eingespeichert werden können. Unser Nervensystem ist zwar in der Lage sehr hohe Informationsmengen, wie sie von den Sinnesorganen angeliefert werden, zu verarbeiten, aber nur ein kleiner Bruchteil davon kann von uns reproduziert werden und wird uns dadurch bewußt.


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