Von Rebellion und Tyrannei
CompNeuro – die Mailingliste der Neuro-Informatiker, das klingt nicht eben nach einem spannenden Forum. Und es begann auch ganz harmlos, mit einem Hinweis auf einen Übersichtsartikel im Fachjournal Cell – Thema: Nervenzellen, Signalübertragung und neuronales Rauschen. Wohl die Folgen halb ahnend, antwortete der Begründer des Forums Jim Bower kurz und schnippisch:
"Haven't done this in a long time. But who says neurons are noisy?"
In der Szene ist Bower als eher eigenwilliger und streitbarer Rebell mit ganz eigenen Ansichten bekannt. Und die verteidigt er gern und deutlich, so wie auch während der ihm folgenden Lawine an Diskussionsbeiträgen, die ihn schließlich zu dem Schluss kommen lässt, dass die heutige Neurowissenschaften eher der Physik des 16. Jahrhunderts ähnle: Die mühevolle Suche nach den Mitteln und Fragestellungen, die der komplexen Materie gerecht werden, stehe hier erst noch bevor.
Bis zu diesem Punkt der Diskussion drehen sich die zahlreichen Beiträge verschiedenster Forscher um Grundfragen der theoretischen Neurowissenschaft: Ist etwa das scheinbare Rauschen der Neuronen tatsächlich Ergebnis von Zufallsprozessen, oder transportiert es bereits sinnvolle Informationen. Ganz radikal meint Bower: Solang nicht anders erwiesen, gehe man davon aus, dass jeder einzelne Spike im Hirn zählt, ebenso jede neuronale Feuerpause – so wie im Computer 0-en nicht weniger wichtig seien als 1-en. Hans Braun von der Universität Marburg hält dagegen, rückblickend auf seine jahrelange Arbeit, erschienen Aufnahmen von Nervenzellen alle mehr oder minder "noisy", "whatever that means" fügt er vorsichtig hinzu.
Bowers Argument: Wohin man am Gehirn und seinen Sensoren auch blickt, arbeitet es an der Grenze des physikalisch möglichen: im Auge werden einzelne Photonen dekektiert, die Hörzellen auf der Basilarmembran in der Hörmuschel bemerken Bewegungen von weniger als einem Angstrøm, unzählige Zellen und Nervenstränge arbeiten ununterbrochen und erzeugen dabei nicht einmal genug Wärme, um die Hirntemperatur aufrecht zu erhalten. Und zugleich soll sich die Natur damit zufrieden geben, dass Sinnes und Denksignale durch zufälliges Rauschen der Neurone kontaminiert werden, wie ein ständiges Knacken in der Telefonleitung? Wieso soll das Hirn ausgerechnet im Hinblick auf seine elementaren Aufgabe, der Informationsverarbeitung, unterhalb seiner Möglichkeiten arbeiten? Und wie kommt es, füge ich hinzu, dass die Welt in unserer Wahrnehmung so erstaunlich klar und eindeutig erscheint? Selbst bei Dunkelheit wird unser Bild nicht grieselig, wie das einer Kamera.
Eher wahrscheinlich ist, dass auch der neuronale Code an der Grenze möglicher Effizienz arbeitet. Und der mathematisch-perfekte Code zeichnet sich genau dadurch aus, dass er sich nicht von zufälligem Rauschen unterscheidet: Werfen sie nur einen Blick in die Rohdaten eines MP3's oder JPG's, mit den Strukturen des ursprünglichen Tons oder Bildes haben sie nichts mehr gemein. Ohne den richtigen Entschlüsselungsalgorithmus sehen und hören Sie nur: Rauschen!
Der Mathematiker Ross Gayler aus Melbourne weißt außerdem darauf hin, dass die Fähigkeit zur Kognition, mit abstrakten Begriffen und Zusammenhängen, wie wir sie täglich verwenden, möglicherweise komplexe verteilte Datenstrukturen voraussetzt: Vector Symbolic Architectures, wie sie die Theoretiker nennen, die etwa im gemeinsamen Feuern tausender Neurone repräsentiert sein könnten. Einzelne Aktivierungsmuster sind dabei praktisch nicht von zufälligen Signalen zu unterscheiden und erhalten ihre Bedeutung erst durch ihr Verhältnis zu anderen Mustern. Was wir heute noch für Rauschen halten wird sich zukünftigen Forschern möglicherweise als komplexer neuronaler Code offenbaren. Ein kleiner Abstecher: Genauso rätselhaft ist für Gayler, wie der quasi unbegrenzte Raum unserer Begriffe und Konzepte physiologisch verwirklicht ist:
"The open-endedness of conceptual space strongly suggests (at least, to me) that the cognitive level of representation is quasi-independent of the physiological implementation. That is, the physiological circuitry implements a virtual machine on which the cognitive processes are executed while remaining relatively independent of what is happening at the physiological level."
Starker Tobak – und kaum beackertes Terrain!
Und selbst wenn es im Hirn tatsächlich 'rauscht', dann hat das Rauschen hier sicher nicht nur die Rolle des Störfaktors, wie im Kontext von Ingenieursanwendungen. Die meisten Diskussionsteilnehmer sind sich einig darin, dass sich die Natur die unberechenbaren Zufallsprozesse vielseitig zu Nutzen macht, so wie etwa in der Genetik/Evolution. Die Theoretiker haben genug Ideen, wozu genau neuronales Rauschen bei der Informationsverarbeitung und bei Lernprozessen nützlich sein könnte. Ali Minai aus Cincinnati zählt gleich eine ganze Reihe auf: Rauschen erzeugt Vielfalt, bricht Symmetrien, erzeugt Neuigkeit, liefert Energie, vereinfacht die Suche, trägt Signale. Welche dieser Prinzipien tatsächlich in natura verwirklicht sind, wird die zukünftige Forschung erst noch zeigen müssen.
Ob sich Neurone zufällig verrauscht oder exakt kontrolliert verhalten, lässt sich mit den heutigen Messmethoden ohnehin schwer beantworten: Dazu müssten wir gleichzeitig den momentanen Zustand des gesamten Neurons, sowie all seine Ein- und Ausgangssignale überwachen. In der Praxis sind die meisten dieser Parameter schlicht ungewiss und so ist es kein Wunder, dass das Feuerverhalten unkontrolliert und zufällig erscheint. Wie Bower schließlich bemerkt, hapert es schon an der Definition von Rauschen – "noise, I personally think the term should be banned".
Ein zweiter eng verknüpfter Punkt der Diskussion betrifft die Bedeutung von Oszillationen, in gewissem Sinne das genaue Gegenteil von Zufallsrauschen. Auch sie werden von Ingenieuren gefürchtet, weil sie schwer zu kontrollieren sind. Während Bower (zumindest die über größere Areale verteilten) Oszillationen für Epiphänomene hält, die selbst keine Informationen repräsentieren, sondern nur der Kommunikation und Reizverarbeitung entspringen, streiten andere für ihren unmittelbaren Zweck. Sie vereinfachten etwa die genaue Manipulation der Zeitpunkte einzelner Spikes und die schnelle Fortpflanzung von Informationen in einem Netzwerk, so Bard Ermentrout aus Pittsburgh, einen richtigen Reim könne er sich aus ihrer Allgegenwärtigkeit aber noch nicht machen. Hans Braun hat eine Arbeit veröffentlicht, die zeigt, wie Oszillationen die Empfindlichkeit sensorischer Zellen steuern. Gleichzeitig vermindern Oszillationen die Speicher- und Verarbeitungskapazität in neuronalen Netzen, wie Nathan Urban von der Carnegie Mellon University bemerkt. In jedem Fall hantiert die Natur, wo man nur hinschaut geschickt mit Oszillationen. Insbesondere im Hirn, sind wir noch weit davon entfernt zu verstehen, wie und warum genau sie das anstellt – sind sich die meisten Diskutanten einig.
Schließlich wirft Bower noch ein paar andere Fragen auf: Wieso soll der Reiz, der eine Zelle am besten zum Feuern bringt, ausgerechnet der sein, der für die Zelle der interessante ist und für den allein sie zuständig ist? Wieso hängt die Neurobiologie nach wie vor so fest an der Annahme, das die Aktivität einzelne Neurone schon Information in sich trägt und richtet ihre Stimuli und Paradigmen weiterhin so streng daran aus? Auch die kortikale Kolumne, für viele Hirnforscher sowie die Konstrukteure des Blue Brain-Simulators der elementare Verarbeitungsbaustein des Kortex, ist für Bower eher ein Mythos der unserem Bedürfnis nach Vereinfachung entspricht. Die Biologie zeichne sich durch einen extremen Grad an Organisation und Strukturbildung aus – je genauer wir hinschauen, desto mehr Struktur erkennen wir. So sind auch die Strukturen die wir bis jetzt im Hirn kennen aller Wahrscheinlichkeit erst der Anfang.
Der "tyranny of a clear story" folgend, erzählten Experimentalisten in ihren Arbeiten in der Regel eine schlüssige Geschichte – unstimmige Ergebnisse und Widerpsrüche fallen unter den Tisch und nur "repräsentative Ergebnisse", solche die zur Geschichte oder gewohnten Ideen passen, werden weitergereicht. So stehen alte Dogmen den neuen Erkenntnissen im Wege. Wenn ich's recht betrachte, hat Wissenschaft zwar zu allen Zeiten so funktioniert. Bower ermahnt jedoch zurecht, dass sich die Hirnforschung in ihrer Bequemlichkeit schon viel zu lang im Kreis um ihre eigenen Pseudoerkenntnisse dreht. In der Physik haben wir in den letzten Jahrhunderten zwar viel über Naturwissenschaft gelernt, aber, so Bower, "biology is different". Sie lässt sich eben oft nicht auf einfache abstrakte Modelle reduzieren, sondern verliert dabei elementare Bestandteile. So wie die Kortikale Kolumne vielleicht doch keine "fundamental computational unit" darstellt, so können sich auch die Annahmen, dass Rauschen nichts und Oszillation alles bedeuten als Irrtum, dass sich die Hirnfunktion auf ein paar grundlegende Prinzipien zurückführen lässt, als holder Traum entpuppen.
Bowers ermunterndes, wie einschüchterndes Fazit:
"Truth is, all these issues remain wide open."
[alle Beiträge der Diskussion lassen sich im CompNeuro-Archiv Juli/August 2008 nachlesen]
mir tut ermentrout irgendwie leid. natuerlich hab ich mich wie wohl die meisten, die noch keinen festen standpunkt in der noise diskussion hatten, erstmal auf der seite bowers gesehn. man kann schliesslich vom hirn schon erwarten, dass es all die entropie ausnutzt, die die forscher so verwirrt in ihren experimenten.
aber die diskussion ist an vielen stellen nur ein weiterer beweis dafuer, wie gern sich leute absichtlich und hartnaeckig missverstehn und an einander vorbei reden, hauptsaechlich um sich zu profilieren.
noise umfasst ja nur all die prozesse, die man mit seinem modell nicht erfassen kann. da es viele modelle gibt, bedeuted noise ja fuer jeden was anderes. und da es eben so ein nicht-konzept ist kann man ihm eben auch einige superpowers zuschreiben. einsicht in all die mechanismen, die man nicht versteht, sie dann noise nennt und sich spaeter wundert, was noise so alles kann, gewinnt man dadurch nicht. wenn das hirn im shannonschen sinn optimal is, wuerde ich nicht erwarten, dass man den neuronalen code so leicht durchschauen koennte, wie manche mindreading-papers zu suggerieren scheinen. und bestimmt nicht mit den methoden, die zur zeit noch das mindreading-genre dominieren.
alles in allem geniesse ich die diskussion auf neuroinf.org sehr. die big shots der community machen praegnante statements, mit denen man ihre meinungen verstehen kann, ohne erst ein paper von ihnen entschluesseln zu muessen. und gelegentliche persoenliche ressentiments halten die diskussion am laufen. sehr nett.
trotzdem erinnert es mich ein wenig an die hanebuechene diskussion um den freien willen: die meiste aufregung ist mangelhaften begriffsdefinitionen (oder schlechtem verstaendnis von guten definitionen) zuzuschreiben. und diese diskrepanz der vielen noise-/freewill-/...-konzepte ist noise im eigentlichsten sinn. und siehe da: es ist extrem nuetzlich! schliesslich regt es zum denken an. aber auf jeden fall hilft es, sympathie fuer die extrema der konzept-histogramme zu entwickeln. die sind eh die cooleren typen. und nehmen sich nicht so ernst. eine meiner liebsten bowerschen stilblueten vom 18.August: [...] I am less of an authority than simply someone who for some reason (low GABA) doesn't mind rocking the boat. [...]
Hallo,
schöner sauberer Beitrag. Aber mir stellte sich nach dem lesen die Frage.
und...?
Gruß Uwe Kauffmann
Hallo,
sieht ja cool aus! Läßt sich aber scheiße lesen.
Ich zumindest wäre Ihnen für ä,ü,ö und ein Paar große Buchstaben dankbar.
Gruß Uwe Kauffmann
Man könnte das ganze System bildlich mit Wasser vergleichen: Einzelne Moleküle (= rauschen) haben keine Effekte, aber dort wo eine bestimmte Menge davon zusammentrifft bildet sich ein Tropfen (= Signal).
Zitat Gayler aus dem obigen Text:
"The open-endedness of conceptual space strongly suggests (at least, to me) that the cognitive level of representation is quasi-independent of the physiological implementation. That is, the physiological circuitry implements a virtual machine on which the cognitive processes are executed while remaining relatively independent of what is happening at the physiological level."
Zitat Schönfelder:
"Starker Tobak – und kaum beackertes Terrain!"
Wieso "kaum beackertes Terrain?". Das ist doch, wenn ich es nicht ganz und gar missverstehe, nichts weite als die Behauptung der "starken KI-Hypothese", nämlich, dass sich das Mentale und das Gehirn zueinander verhielten wie die Hardware zum Programm eines Rechners. Und die ganze Debatte dazu (multiple Instantiierbarkeit, Turing-Maschinen, Searles "chinesisches Zimmer"...) ist doch schon gelaufen. Und zumindest in Bezug auf die Reduzibilität des Psychischen auf's Physische hat sie nichts gebracht.
Im übrigen wäre noch zu fragen, inwiefern der "conceptual space" tatsächlich "open-ended" ist. Ich selbst mach' mir in meinen Beiträgen hier ja oft genug einen Spass daraus, mir an den Grenzwänden des Seins und den Mauern der Metaphysik die Birne blutig zu rennen.
Drei Bemerkungen zu diesem sehr spannenden Diskussionsthema:
1. Rauschen kann (wie u.a. experimentell bei elektrischen Fischen gezeigt wurde) bei Nervenzellen die Signalerkennung steuern. Wenn das Eingangssignal unterhalb der Reizschwelle der Zelle liegt, so können durch hinzuaddiertes Rauschen die Maxima des Signals so verstärkt werden, dass sie über die Reizschwelle gelangen und die Zelle zum feuern bringen. Einfacheres Bild: Sie geben Erbsen in eine Pfanne und wackeln an der Pfanne, so dass die Erbsen hüpfen aber nicht über den Pfannenrand (Reizschwelle) springen. Wenn Sie jetzt noch die Pfanne heizen werden die Erbsen, die beim Wackeln am höchsten springen durch die Wärmebewegung (Rauschen) noch ein bisschen höher springen, so dass sie aus der Pfanne hüpfen (Zelle feuert).
2. Ein beeindruckendes, gut lesbares Buch, das die allgegenwärtige Präsenz von Oszillationen unterschiedlichster Frequenzen im Gehirn aufzeigt stammt von G.Buzsaki (Rhythms of the Brain).
3. Nein, wir können unsere Gehirnfunktionen nicht ganz verstehen, wenn wir unser Gehirn nur durch Hard und Software beschreiben. Unser Gehirn dient dazu unsere Überlebenschancen zu verbessern. Wir benötigen seine Anknüpfung an den Körper (und an die Gesellschaft unserer Mitmenschen) um zu verstehen wie wir (um besser überleben zu können) unser Wertesystem bilden. (vergl. Schuster: „Bewusst oder unbewusst“). Computer mit Hard und Software manipulieren Daten völlig wertefrei.
Was, wieso?
Sie zitieren "Genauso rätselhaft ist für Gayler, wie der quasi unbegrenzte Raum unserer Begriffe und Konzepte physiologisch verwirklicht ist."
Das kann doch nur heißen, dass dieser Gayler, wer auch immer das ist, nicht begriffen hat, dass Denken – auch das „unbegrenzte“, abstrakte, absurde, phantastische, kurz alles Denken – auf rein materieller Basis im menschlichen Gehirn stattfindet. Da ja auch Tiere schon denken, aber eben nur mit „konkreten“, ihrer Umwelt entstammenden Werten, ist es doch wirklich nicht „rätselhaft“ oder schwierig, den Denkraum des Menschen als open-ended zu akzeptieren. Das verdanken wir schliesslich unserer Sprache, durch die uns praktisch unendlich viele Parallelwelten im Kopf zur Verfügung stehen.
Und das ist doch kein neues, "unbeackertes Terrain", finde ich.
Bei völliger Dunkelheit kann man die Eigenaktivität neuronaler Strukturen als Lichtblitze sehen - dies würde dem Rauschen entsprechen. Hier sind keine sinnvollen Informationen enthalten.
Bei Menschen, welche zu Halluzinationen neigen oder sich in Zwangssituationen (Dunkelhaft) befinden, kann sich dieses neuronale Rauschen bis zu visuell erkennbaren Bildern aufschaukeln. Hier fand bereits ein Denkprozess statt.
Dieses Beispiel zeigt, dass neuronales Rauschen alleine nichts bringt.
Hallo,
der Zufall rechnet mit?
Gruß Uwe kauffmann
Aktuelle Sineseindrücke werden immer sofort mit den passenden Informationen aus dem Gedächtnis kombiniert um dem Menschen eine passende Zukunftsvorhersage als Handlungsvorschlag für die aktuelle Situation zu liefern.(Damit man auf jede Situation blitzschnell und angemessen reagieren kann)
Jeder aktuell wahrgenommene Sinneseindruck und die aus dem Unterbewusstsein dazu passend gelieferten Informationen verschmelzen dabei zu einer neuen Realität - und diese neue Realität wird dann wieder mit den Gedächtnisinhalten verglichen usw. usw.
Diesen Feedback/Regelkreis-Prozess nennt man Denken, Intuition oder Phantasie.
Natürlich ist dieser Ablauf sehr fehlerhaft, d.h. der Zufall rechnet mit.
Ein Beispiel dafür: ein auf dem Boden liegendes, längliches Teil kann im ersten Eindruck als Schlange registriert werden - damit man lieber einmal zuviel als zuwenig vorsichtig ist. Bei genauerem Hinsehen erkennt man aber, dass es ein Stöckchen ist.
...lange nicht gepostet!
Schönen Gruß
Yoav