Könnten Hirnforscher einen C64 verstehen?

US-Forscher haben mit den Methoden der Hirnforschung vergeblich versucht, die Funktionsweise einer MOS-6502-CPU aus dem C64 nachzuvollziehen. Müssen sie also ihre Methoden ändern, um das menschliche Gehirn verstehen zu können?

Seit Jahrhunderten versuchen Forscher zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert. Nun haben sich der Computerwissenschaftler Eric Jonas und der Neurologe Konrad Paul Kording zusammengetan, um zu überprüfen, ob sie mit den Methoden der heutigen Hirnforschung ein viel einfacheres System verstehen können. Statt eines Gehirns haben sie einen MOS-6502-Chip untersucht. Ein Chip der gleichen Familie, die auch im Commodore-Heimcomputer C64 verwendet wurde.

Ausschnitt aus einer MOS 6502 CPU

Ausschnitt aus einer MOS 6502 CPU (Bild: Pauli Rautakorpi/Wikimedia/CC-BY 3.0)

Der Chip sollte ihnen viel weniger Probleme als ein Gehirn bereiten. Sowohl Computerchip als auch Gehirn bestehen aus einzelnen Teilen, die miteinander verbunden sind und Informationen austauschen. Aber der MOS 6502 besteht aus nur 3.510 Transistoren, die alle gleich und jeweils mit nur drei anderen Transistoren verbunden sind. Das menschliche Gehirn besteht dagegen aus etwa 80 Milliarden Neuronen, die jeweils durch Synapsen mit teilweise über 100 anderen Neuronen verbunden sind. Dazu kommen noch andere Zellen, die die Funktion der Synapsen beeinflussen können. Selbst das Gehirn einer Fruchtfliege hat mit 100.000 Neuronen viel mehr Einzelteile als der klassische Computerchip.

Der Chip ist einfacher aufgebaut als ein Gehirn

Die Funktionen in dem Chip lassen sich auch viel leichter untersuchen als die von lebendigen Hirnzellen, selbst wenn diese in einer Petrischale gezüchtet werden. Um wirklich ideale Bedingungen zu schaffen, werden keine elektrischen Signale auf dem Chip gemessen. Es wird nicht einmal ein echter MOS 6502 verwendet, sondern eine Computersimulation des Chips. Sie ermöglicht die Aufnahme perfekter Messdaten für die Zustände aller 3.510 Transistoren, 1,5 GByte an Daten pro Sekunde, und auch die direkte Manipulation einzelner Transistoren im Chip. Die Messung echter Hirnzellen ist von solchen Zuständen weit entfernt. Wenn die Methoden funktionieren, dann sollte es unter so guten Forschungsbedingungen ein Leichtes sein, die Funktion des viel einfacher aufgebauten Chips zu ergründen.

Tatsächlich ist der Gedanke nicht neu, den Menschen betreffende Forschung an Technik auszuprobieren. Schon 2002 versuchte der Krebsforscher Yuri Lazebnik, die Methoden seines Felds auf ein bekanntes und viel einfacheres System anzuwenden. Unter der Überschrift „Kann ein Biologe ein Radio reparieren?“ beschrieb er, wie nach dessen Methoden die Bestandteile funktionierender Radios klassifiziert wurden. Dann würden einzelne Komponenten herausgenommen, um zu sehen, wie wichtig sie sind.

Ein Radio zeigt die Unzulänglichkeit der Krebsforschung

Dabei würde beispielsweise der Draht zur Antenne als äußerst wichtige Komponente gelten, schließlich führt ihr Ausfall zum sofortigen Ausfall des ganzen Radios. Schließlich wäre eine ganze Reihe von wichtigen Komponenten bekannt, die alle zum Ausfall des Radios führen. Manchmal könnte damit ein Radio repariert werden, indem zum Beispiel eine Komponente ausgetauscht wird, aber das sei reiner Zufall.

Es fehlte allerdings jede Systematik, mit der die Funktion der Einzelteile des Radios beschrieben werden konnte. Ein Grund dafür ist, dass die eigentliche Funktion der Komponenten nie unabhängig vom System untersucht wird. Es wird immer nur untersucht, ob das Radio noch in der Lage ist, Musik zu spielen. Er kam zu dem Schluss, dass die aktuellen Methoden zum Verständnis komplexer Systeme in der Biologie wahrscheinlich ungeeignet sind.

Ist die Hirnforschung hier weiter fortgeschritten?

Es gibt keinen Space-Invaders-Transistor

Eine klassische Methode, um die Funktion des Gehirns zu ergründen, ist es, Teile des Gehirns zu zerstören oder durch Elektroden zu stören und dabei das Verhalten zu untersuchen. Beim MOS 6502 konnte das sehr präzise getan werden. Einzelne Transistoren wurden so gestört, dass sie nur noch ein High-Signal lieferten. Das untersuchte Verhalten war dabei, eines von drei klassischen Computerspielen zu laden (Donkey Kong, Space Invaders und Pitfall). Wenn das Spiel nicht gestartet würde, wäre das Verhalten gestört.

Die Forscher fanden heraus, dass der Ausfall von 1.560 Transistoren dazu führte, dass keines der Spiele gestartet werden konnte. Bei 200 Transistoren konnten zwei der Spiele nicht gestartet werden, bei 186 lief nur eines der Spiele nicht. Daraus kann aber nicht geschlossen werden, dass es in dem Chip eine Reihe von Space-Invaders-Transistoren gibt, die auf Space Invaders spezialisiert sind. Vielmehr stellen sie Funktionen bereit, die zufällig bei diesem Programm zu ausreichend großen Fehlern führen, mit denen es nicht startet. Die Methode ähnelt dem Beispiel mit dem Radio und bringt auch ähnlich wenige Erkenntnisse.

Die meisten der Transistoren, die Spiele zum Absturz brachten, gehörten zu universellen Teilen wie Addierern, die in allen Programmen ständig benötigt werden. Aber nichts in der Untersuchungsmethode ermöglicht es, die eigentliche Funktion einer Gruppe von Transistoren zu erkennen. Denn untersucht wird nicht, wie die Transistoren an der Stelle ihre Arbeit verrichten, sondern ob das gesamte System noch das erwünschte Verhalten zeigt.

Der Chip ist komplex und unergründlich

Aber die Forschung bietet noch andere Methoden. So haben die Forscher versucht herauszufinden, wie die Helligkeit des zuletzt angezeigten Pixels auf dem Bildschirm mit der elektrischen Aktivität der Transistoren zusammenhängt. Es soll also eine grundlegende Funktion des Organismus untersucht werden und wie diese gesteuert wird. Auch hier waren die Ergebnisse wenig erhellend. Einige Transistoren zeigten zwar Korrelationen mit dem Bildschirminhalt, aber sie waren äußerst komplex, nicht linear und weitgehend unergründlich.

Anstatt nur einzelne Transistoren anzuschauen, haben die Forscher auch die gemeinsame Aktivität ganzer Gruppen von Transistoren auf dem Chip untersucht. Ähnliches wird in der Hirnforschung getan, wo bei bestimmten Aufgaben bestimmte Teile des Gehirns besonders starke Aktivität und teilweise rhythmische Aktivität zeigen. Tatsächlich fanden sich auch auf dem Computerchip ähnliche Muster wieder. Im Gehirn wird diese Beobachtung als möglicher Beleg für ein selbstorganisiertes Verhalten von Zellen durch komplexe Interaktion gehandelt. Der Computerchip ist aber nicht selbstorganisiert, besteht aus sehr einfachen Bauteilen und zeigt das gleiche Verhalten trotzdem.

Der Computer als Modell zur Entwicklung neuer Methoden

Eine Reihe von noch weiter fortgeschrittenen Methoden brachte auch keine besseren Erkenntnisse über die Funktion des Computerchips. Wäre er nicht von Menschen entworfen und gebaut worden, stünden Wissenschaftler vor einem großen Rätsel, wie ein C64 funktioniert, wenn sie ihn mit solchen Methoden untersuchen würden. An schlechten Daten oder zu wenigen Daten lag es nicht, sondern daran, wie mit ihnen umgegangen wird.

Und so kommen die Forscher zu dem Schluss, dass die Forschungsmethoden in der Hirnforschung wahrscheinlich nicht ihrem Problem gewachsen sind. Sie regen dazu an, Computerchips als Modell zur Entwicklung besserer Methoden zum Verständnis komplexer Systeme zu benutzen. Immerhin ist ihre Funktion vollständig bekannt und kann jederzeit nachvollzogen werden. Gleichzeitig warnen sie aber, dass diese Methoden nicht so spezifisch sein dürfen, dass sie nur noch für Computerchips geeignet sind.  (fwp)

Quelle:  http://www.golem.de/print.php?a=125738

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