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Wahrnehmungsprozesse: Aufmerksame Schaltung

Einem Kieler Forschungsteam ist es gelungen, die menschlichen Wahrnehmungsprozesse in elektronischen Schaltungen zu simulieren. Ein erster Schritt bei der Entwicklung von selbstlernenden Systemen, die auch so etwas wie Empathie entwickeln können.

Intelligente Nachbildung: Elektrische Oszillatoren übernehmen die Funktion der Neuronen. Bildquelle: © Julia Siekmann, CAU

Intelligente Nachbildung: Elektrische Oszillatoren übernehmen die Funktion der Neuronen.

Damit wir uns in unserer Umgebung zurechtfinden und schnelle Entscheidungen treffen können, muss das menschliche Gehirn in kurzer Zeit viele Informationen verarbeiten. Wie genau es den gigantischen Datenstrom beherrscht, den unsere Sinnesorgane liefern, ist noch immer nicht vollständig erforscht. Um die Funktionsweise des Gehirns besser zu verstehen, versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Fakultät an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), die biologische Informationsverarbeitung technisch nachzubilden. Nach dem Vorbild neuronaler Netze wollen sie elektronische Schaltungen mit kognitiven Fähigkeiten entwickeln.

Wie sich mit einem elektrischen Schaltkreis Wahrnehmungsprozesse imitieren lassen, zeigen besonders gut optische Täuschungen – also Bilder, die für unsere Sinne widersprüchlich sind. Sie liefern sogenannte »konkurrierende Informationen«, die für unser Gehirn zunächst nicht zusammenpassen. Daran lässt sich gut nachvollziehen, wie unser Gehirn Informationen verknüpft. »Fehler bei optischen Täuschungen zu erkennen, ist für uns Menschen eher schwierig«, erklärt Privatdozent Dr. Martin Ziegler aus der Arbeitsgruppe »Nanoelektronik« an der Technischen Fakultät der CAU. In der Regel erstelle unser Gehirn automatisch ein korrektes Bild, denn wir brauchen sinnvolle Informationen, um schnell Entscheidungen treffen zu können.

Der Schlüssel, um beide Lesarten des Bildes zu sehen, ist Aufmerksamkeit. Es ist eines der zentralen Prinzipien, nach dem unser Gehirn arbeitet. Dabei spielt auch die Häufigkeit eine Rolle, mit der wir bestimmte Muster erkennen.

Warum können wir Objekte wahrnehmen?

Hinter dem Forschungsinteresse an optischen Täuschungen steckt eine zentrale Frage der Neurowissenschaften, die auch als Bindungsproblem bezeichnet wird: Wie konstruiert unser Gehirn aus einer Vielzahl von Sinneseindrücken eine einheitliche Wahrnehmung und erkennt somit zum Beispiel Objekte? Elektrische Impulse übermitteln laufend Informationen zwischen den Neuronen im Gehirn. Dort sind jeweils eigenständige Netzwerke zum Beispiel für Sehen, Hören oder Fühlen zuständig. Um Dinge bewusst wahrnehmen zu können, müssen unterschiedliche Hirnareale Information austauschen und sich immer wieder neu miteinander verknüpfen. Dazu synchronisiert sich die Aktivität der Neuronen – sie laufen also im Gleichtakt.

Sichtbar machen lässt sich dies beim Menschen über eine Hirnstrommessung (Elektroenzephalografie, EEG). »Synchronizität ist als Funktionsprinzip des Gehirns bereits bekannt. Aber wir wissen noch nicht genau, wie unser Gehirn seine verschiedenen Bereiche verknüpft und damit seine Subnetzwerke immer wieder ändert«, erläutert Prof. Hermann Kohlstedt, Leiter der Arbeitsgruppe Nanoelektronik. Es wird vermutet, dass Faktoren wie Aufmerksamkeit, die wir auf bestimmte Objekte unseres Wahrnehmungsbereichs richten, zur Verknüpfung von Informationen führen.

Biologische Prozesse elektrisch nachgebildet

Um die Prozesse bei der Informationsverarbeitung im Gehirn nachzuvollziehen, entwickelte das Kieler Forschungsteam einen elektronischen Schaltkreis aus Oszillatoren. Diese Schaltung erzeugt periodische Spannungsimpulse in Echtzeit und funktioniert damit ähnlich wie Neuronen im Gehirn. Die Forscher  verwendeten spezielle nanoelektronische Bauelemente, mit denen sich die Oszillatoren verknüpfen und somit synchronisieren lassen. Diese Bauelemente werden als »Memristoren« bezeichnet (von englisch »memory« für Gedächtnis und »resistor« für Widerstand). Sie sind in der Lage, elektrische Zustände zu speichern, ähnlich der Prozesse im Gehirn, die beim Verknüpfen von Informationen ablaufen.

»Die Häufigkeit der elektrischen Impulse, denen wir die Memristoren aussetzen, ist dabei mit der Aufmerksamkeit im menschlichen Wahrnehmungsprozess gleichzusetzen«, erklärt Mirko Hansen, Doktorand in der Arbeitsgruppe. Je höher die Anzahl der Impulse, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Verbindung zwischen den künstlichen Nervenzellen entsteht. Über die Memristoren lässt sich die Intensität dieser Verbindungen steuern. Damit ändern sie die Verknüpfungen im elektronischen Netzwerk, ähnlich wie die sich ständig anpassenden Synapsen zwischen den Subnetzwerken im Gehirn. (me)