Modell und Realität
Seit den MCP haben sich die Modelle künstlicher Neuronen massiv diversifiziert. Die Haupttrennlinie liegt zwischen Modellen der Neurowissenschaften und der KI.
Die Modelle der Neurowissenschaften versuchen, sich der biologischen Realität zu stellen: verschiedene Neuronentypen, modelliert bis auf die Ebene der Ionenkanäle und chemischen Rezeptoren und die für das Neuronenverhalten ergebnisrelevanten Einflüsse des komplexen Timings von Aktivitätspotenzialen, Rückkopplungsschleifen, Refraktärzeiten, wechselseitige Wachstumsbeeinflussung etc.
Hier wird also der Stand unseres Wissens über die physikalischen und chemischen Abläufe biologischer Neuronen modelliert. Das resultiert in erheblichem Rechenaufwand, der diese biophysikalischen Modelle für KI-Anwendungen untauglich macht. Diese Modelle erlauben es aber, unser Verständnis voranzutreiben: Wo die experimentelle Beobachtungen vom Modell abweichen, haben wir eine wissenschaftliche Baustelle gefunden.
Für den Fadenwurm Caenorhabditis elegans(öffnet im neuen Fenster) ist der komplette, recht überschaubare Schaltplan des Nervensystems – das synaptische Konnektom – bekannt: 302 Neuronen mit etwa 5.000 synaptischen Verbindungen (in dem Entwicklungsstadium, das typischerweise für Experimente verwendet wird). Ein guter Startpunkt, um der Vergleichbarkeit von biologischen und künstlichen neuronalen Netzen nachzuspüren.
Caenorhabditis elegans wird seit den 1960er Jahren intensiv untersucht und sein gesamter Organismus ist extrem gut verstanden. Daher starteten Projekte, dieses kleine Geschöpf vollständig zu simulieren – bis hinunter auf die Ebene der Ionenkanäle, Neurotransmitter etc. Beispielsweise trat Openworm [Eigenschreibweise: OpenWorm] 2011 mit dem durchaus bescheidenen Ziel an, 80 Prozent des beobachteten Verhaltens der Wildform zu reproduzieren(öffnet im neuen Fenster) – bis heute ein unerreichtes Ziel.
Kein Wunder: Die gezielte Aktivierung einzelner Neuronen löst Aktivitäten in synaptisch nicht verbundenen Nervenzellen aus und diese Verbindungen sind essentiell für die korrekte Simulation(öffnet im neuen Fenster). Neben dem synaptischen Netzwerk bestehen zahlreiche biochemische Konnektome(öffnet im neuen Fenster), die von einer Vielzahl von Neuromodulatoren(öffnet im neuen Fenster) – 92 verschiedene Neuropeptide wurden in C. elegans nachgewiesen – vermittelt werden.
Gleichzeitig sind die chemischen Konnektome vier- bis fünfmal dichter und komplexer vernetzt als die synaptischen Verbindungen. Um dem Einwand zuvorzukommen: Eine Studie von Januar 2023(öffnet im neuen Fenster) suggeriert, mit einem einfachen KNN die Motorik von C. elegans nachgebildet zu haben. Sie arbeitete aber nur mit einer Simulation des synaptischen Konnektoms, nicht mit realen Fadenwürmern. Diese Simulation spiegelt die biologische Realität eben nicht wider, weswegen die beiden vorstehenden Studien unternommen wurden, die eine parallele chemische Neuronenvernetzung nachwiesen.
Beim Menschen gibt es mindestens 100 Neurotransmitter – also chemische Substanzen, die im synaptischen Spalt wirken. Etliche kommen aber in Varianten vor. Rezeptoren gibt es mehrere Hundert, die auf mehrere dieser Neurotransmitter reagieren – eine weitere Ebene der Interaktion. Schließlich wirken Neurotransmitter teils auch außerhalb des synaptischen Spalts – also neuromodulierend – auf andere Nervenzellen. Neuromodulatoren vermutet man Tausende. Die chemischen Konnektome des Menschen dürften also drastisch komplexer sein. (Belege: 1(öffnet im neuen Fenster), 2(öffnet im neuen Fenster), 3(öffnet im neuen Fenster))
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