Das menschliche Gehirn mit Spezialcomputern der neuen Generation nachbilden

Von der Architektur des menschlichen Gehirns inspirierte Spezialcomputer kommen mit beeindruckender Leistung der Echtzeitsimulation seines neuronalen Netzes einen weiteren Schritt näher.

Was ist ein Supercomputer?

Ein Supercomputer lässt sich vereinfacht als System aus massiv parallelen Prozessoren, leistungsfähigen Vektorprozessoren und Computerclustern beschreiben, wobei nicht jede Komponente erforderlich ist. Er ermöglicht neue wissenschaftliche Methoden wie rechnergestützte Wissenschaft, die Experiment und Berechnung verbindet.

Heute führen Supercomputer in 1 Sekunde Hunderte Billionen Operationen durch. Unsere persönlichen Rechner heißen Universalcomputer (general-purpose computer).

Das neuronale Netz des menschlichen Gehirns nachbilden

Speziell zur Nachbildung neuronaler Gehirnnetze gebaute Computer liefern inzwischen ähnliche Ergebnisse wie Supercomputer zur Gehirnsimulation. Frontiers in Neuroscience veröffentlichte eine Studie, wonach ein neuer Computer namens SpiNNaker in Tests zu Geschwindigkeit und Energieeffizienz traditionelle Supercomputer besonders bei der Energieeffizienz übertraf. Hauptziel ist mehr Wissen über neuronale Aktivität und damit über Erkrankungen wie Epilepsie und Alzheimer.

Studienentwicklerin Dr. Sacha van Albada, Leiterin der Gruppe für theoretische Neuroanatomie am Forschungszentrum Jülich in Deutschland, erklärte: „SpiNNaker kann ein detailliertes biologisches Modell des Kortex erstellen, der äußeren Gehirnschicht zur Verarbeitung von Sinnesinformationen. Dadurch ermöglicht er ausführlichere Ergebnisse und kann fortgeschrittene Robotikforschung unterstützen.“ So beschrieb sie es.

Das menschliche Gehirn

Das Gehirn besteht aus 100 Milliarden Neuronen (Gehirnzellen), die zahlreiche Verbindungen miteinander eingehen. Stellt man es sich als großen Wald vor, wäre jeder Baum ein Neuron; die Zahl der Verbindungen entspräche den Blättern dieser Bäume. So kann das Gehirn als die komplexeste Struktur des Universums gelten. Heute wissen wir anhand von Zellinteraktionen und Verhalten, welcher Gehirnbereich welche Körperfunktion steuert. Nicht vollständig geklärt ist jedoch, wie neuronale Aktivität in Verhalten wie die Umwandlung von Gedanken in Muskelbewegung übergeht oder wie Informationen gespeichert werden.

Selbst die besten Simulationsprogramme und schnellsten Supercomputer können nur 1% des Gehirns simulieren.

Laut Forschung im Europäischen Human Brain Project benötigt ein heutiger Supercomputer mehrere Minuten für Vorgänge, die das Gehirn in 1 Sekunde erledigt. Lernen kann Stunden oder Wochen beanspruchen. Daher ist die problemgerechte Wahl der Computerarchitektur entscheidend.

Entwicklung des Spezialcomputers der neuen Generation SpiNNaker

SpiNNaker entstand im seit über 15 Jahren entwickelten Human Brain Project. Er besteht aus etwa einer halben Million einfacher Prozessoren und 600 Platinen und arbeitet mit eigener Software. Sein auch digitales neuromorphes Computing genanntes Prinzip unterscheidet sich von klassischen Supercomputern. Bei neuronalen Berechnungen erzielte er sehr ähnliche Ergebnisse wie der führende NEST-Supercomputer. Dabei wurden nur 6 Platinen, also etwa 1% seiner Gesamtleistung, verwendet. Die Forscher erwarten durch Weiterentwicklung von Software und Platinen erhebliche Leistungssteigerungen.

Zusammenfassendmüssen Computer trotz hoher Geschwindigkeit bei bestimmten Aufgaben noch deutlich weiterentwickelt werden, um Komplexität und Fähigkeiten auch nur eines menschlichen Gehirns zu erreichen. Deshalb sind sie etwa bei klinischen Entscheidungen, also ärztlichen Therapieentscheidungen, noch schwach. Der Erfolg dieses Projekts mit SpiNNaker könnte Ursachen rätselhafter neurologischer Erkrankungen klären und Therapien ermöglichen. Eine weitgehende Gehirnsimulation könnte außerdem Energieeffizienz und Leistung robotischer Entscheidungsmechanismen revolutionieren.