Aufbau des Kortex in Silizium

In Stanford läuft ein ehrgeiziges Projekt zur Modellierung der Großhirnrinde in Silizium. Das künstliche Gehirn könnte Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie der jüngste Teil unseres Gehirns seine komplexen Rechenleistungen vollbringt, die es uns ermöglichen, Sprache zu verstehen, Gesichter zu erkennen und den Tag zu planen. Es könnte auch zu neuen neuronalen Prothesen führen.

Siliziumchips, die dem Gehirn nachempfunden sind, könnten Aufschluss über dessen Rechenleistung geben.

Gehirne tun Dinge auf technisch und konzeptionell neue Weise – sie können ziemlich mühelos Probleme lösen, die wir mit den größten und modernsten digitalen Maschinen noch nicht lösen können, sagt Rodney Douglas , Professor am Institut für Neuroinformatik in Zürich. Eine Möglichkeit, dies zu erkunden, besteht darin, Hardware zu entwickeln, die in dieselbe Richtung geht.

Neuronen kommunizieren mit einer Reihe elektrischer Impulse; chemische Signale verändern vorübergehend die elektrischen Eigenschaften einzelner Zellen, was wiederum eine elektrische Veränderung im nächsten Neuron im Stromkreis auslöst. In den 1980er Jahren, Schnitzer Met , ein Pionier der Mikroelektronik am California Institute of Technology, erkannte, dass die gleichen Transistoren, die zum Bau von Computerchips verwendet werden, verwendet werden können, um Schaltungen zu bauen, die die elektrischen Eigenschaften von Neuronen nachahmen. Seitdem verwenden Wissenschaftler und Ingenieure diese Transistor-basierten Neuronen, um kompliziertere neuronale Schaltkreise aufzubauen, indem sie die Netzhaut, die Cochlea (den Teil des Innenohrs, der Schallwellen in neuronale Signale umwandelt) und den Hippocampus (einen Teil) modellieren des Gehirns entscheidend für das Gedächtnis). Sie nennen den Prozess Neuromorphing.

Jetzt Kwabena Boahen , ein Neuroingenieur an der Stanford University, plant das bisher ehrgeizigste neuromorphe Projekt: die Erstellung eines Siliziummodells des Kortex. Das Design der ersten Generation wird aus einer Platine mit 16 Chips bestehen, von denen jeder ein 256 mal 256 großes Array von Siliziumneuronen enthält. Neuronengruppen können unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben, die verschiedene Arten von Zellen im Kortex nachahmen. Ingenieure können auch spezifische Verbindungen zwischen den Zellen programmieren, um die Architektur in verschiedenen Teilen des Kortex zu modellieren.

Wir wollen unterschiedliche Ideen, unterschiedliche Konnektivitätsmuster, unterschiedliche Operationen in diesen Bereichen erforschen können, sagt Boahen. Das kann man im Moment nicht wirklich erforschen. Boahen plant schließlich, Chips zu bauen, die andere Wissenschaftler kaufen und verwenden können, um ihre eigenen Theorien über die Funktionsweise des Kortex zu testen. Dieses neue Wissen kann dann in die nächste Chipgeneration eingebaut werden.

Es ist sehr spannend, sagt Terrence Sejnowski , Leiter des Labors für Computational Neurobiology am Salk Institute in La Jolla, CA. Die Technologie ist so weit ausgereift, dass an groß angelegte Simulationen gedacht werden kann. Sejnowski untersucht zum Beispiel, wie der Thalamus, ein Gehirnbereich, von dem angenommen wird, dass er Informationen aus verschiedenen Teilen des Gehirns weiterleitet und integriert, mit dem Kortex interagiert. Wir können derzeit kleine Simulationen von Hunderten bis Tausenden von Neuronen durchführen, aber es wäre großartig, dies skalieren zu können, sagt er.

Das Millionen-Neuronen-Gitter wird eine Verarbeitungsgeschwindigkeit von 300 Teraflops haben, was bedeutet, dass das festverdrahtete Siliziummodell im Gegensatz zu Computer-Software-Simulationen des Kortex in Echtzeit laufen kann. Anstatt tausend Softwareanweisungen auszuführen, fließt nur Strom durch Transistoren, genau wie echte Neuronen, sagt Boahen.

Natürlich wird das Projekt eine Herausforderung sein. Sie müssen eine große Anzahl von Chips besorgen, um zusammenzuarbeiten, sagt Douglas. Eine Struktur in der Größenordnung zusammenzustellen, die Kwabena vorschwebt – das hat noch niemand gemacht. Aber es könnte ein Wendepunkt auf dem Gebiet werden. Douglas vergleicht den aktuellen Stand der neuromorphen Technik mit den frühen Stadien des Computerchip-Designs. Die Leute hatten an verschiedenen Arten von Logikgattern gearbeitet, aber es bedurfte einer ganz anderen Weltanschauung, um Computerchips zu bauen, sagt er.

Die Ingenieure hoffen schließlich, die vom Siliziumkortex generierten Informationen auf vielfältige Weise nutzen zu können – zum Beispiel zum Bau besserer neuronaler Prothesen. Der Echtzeit-Aspekt dieser Technologie ermöglicht es uns im Prinzip, den Siliziumkortex mit dem echten Kortex oder Gehirn zu verbinden, sagt Gert Cauwenberghs, Neuroingenieur an der University of California in San Diego. Es besteht das Versprechen, zumindest in Zukunft eine Prothese zu bauen, um verloren gegangene motorische oder sensorische Funktionen zu ersetzen.

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