Früher glaubte man allgemein, dass die erstaunliche Intelligenz des menschlichen Gehirns hauptsächlich auf seiner großen Anzahl von Neuronen und den komplizierten interzellulären Verbindungen beruht. Eine kürzlich in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlichte Studie zeigt jedoch, dass die Wurzel der außergewöhnlichen kognitiven Fähigkeiten des Menschen nicht nur im makroskopischen Maßstab liegt, sondern auch in der unvorstellbaren Rechenleistung eines einzelnen Neurons selbst.
Die Forschung wurde von den Professoren Idan Segev und Mickey London von der Hebräischen Universität Jerusalem in Zusammenarbeit mit den Doktoranden Ido Aizenbud und Daniela Yoeli vom Edmund and Lily Safra Brain Science Centre (ELSC) und Professor Chris de Kock von der Vrije Universiteit Amsterdam geleitet.
Die wissenschaftliche Gemeinschaft ist es seit langem gewohnt, das Neuron auf einen einfachen Schalter zu reduzieren, der nur für den Empfang von Signalen und die Entscheidung, ob elektrische Signale gesendet werden sollen, verantwortlich ist. Neueste Forschungen haben jedoch ergeben, dass ein einzelnes Neuron in der menschlichen Großhirnrinde (der äußeren Struktur, die für das Denken auf hoher Ebene verantwortlich ist) tatsächlich eine hochkomplexe Miniatur-Informationsverarbeitungseinheit ist. Sie können nicht nur Signale sammeln, sondern die eingegebenen Informationen durch äußerst komplexe interne Mechanismen auch fein kombinieren und verarbeiten. Ihre Einzelzellenverarbeitungsfähigkeiten können sogar mit tiefen künstlichen neuronalen Netzen mithalten.
Um die Rechenkomplexität verschiedener Säugetierneuronen fair zu messen, nutzte das Forschungsteam künstliche Intelligenz und Computermodellierungstechniken, um einen digitalen „Imitator“ zu bauen. Sie testeten, wie tief ein künstliches neuronales Netzwerk gehen muss, um die Beziehung zwischen Eingangssignalen und Ausgangsreaktionen biologischer Neuronen genau zu reproduzieren. Untersuchungen haben ergeben, dass die Ebene der erforderlichen künstlichen Netzwerke umso tiefer ist, je komplexer biologische Zellen sind, und dass Neuronen in der menschlichen Großhirnrinde immer komplexere künstliche Netzwerke zur Nachahmung benötigen.
Die Forscher wiesen darauf hin, dass dieser enorme Vorteil menschlicher Neuronen hauptsächlich auf ihre reichhaltige dendritische Baumaststruktur und ihre einzigartigen elektrophysiologischen Eigenschaften zurückzuführen ist. Diese einzigartigen physikalischen Strukturen ermöglichen es Neuronen, nicht nur einfach Eingangssignale hinzuzufügen, sondern auch eine tiefgreifende Analyse und Verarbeitung komplexer Informationskombinationen durchzuführen. Diese Entdeckung untergräbt die traditionelle Erkenntnis und zeigt, dass das fortgeschrittene Denken, die Sprache, die Vorstellungskraft und die Kreativität des Menschen möglicherweise mit komplexen Berechnungen innerhalb eines einzelnen Neurons begonnen haben.
Darüber hinaus wird das durch diese Forschung geschaffene neue Computer-Framework Wissenschaftlern nicht nur dabei helfen, die zellulären Mechanismen des menschlichen Denkens und Lernens besser aufzudecken, sondern wird auch tiefgreifende Auswirkungen auf die Entwicklung einer neuen Generation gehirnähnlicher künstlicher Intelligenz haben. Künftige Systeme der künstlichen Intelligenz basieren möglicherweise nicht mehr nur auf dem einfachen Stapeln von Schichten einfacher Einheiten, sondern können durch die Einführung komplexer Recheneinheiten mit stärkeren individuellen Verarbeitungsfähigkeiten einen neuen Weg näher an das biologische Nervensystem eröffnen.