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Gehirn versus Computer

Die Hardware von Biologie und Elektronik unterscheiden sich noch sehr erheblich. Hier einige wesentliche Fakten:

Gehirn	Elektronik/Computer
fehlertolerant	kaum fehlertolerant
robust; Störung bedeutet nur eingeschränkte Funktionalität	nicht robust; Störung führen meist zum Ausfall
lernen durch Beispiele	explizite Programmierung
Keine Trennung von Daten und Verarbeitung	Trennung von Prozessor und Speicher
ca. 25 W Wärmeentwicklung	*2,3 10⁶ W (Watson) Leistungsaufnahme: problematisch!**
*Größenvergleich*
1000nm (Neuron)	4nm-Technologie
Hard- und Software zusammen	400 Transistoren/ emuliertem Neuron
100 Milliarden Neuronen	4* 10¹⁵ Transistoren/ Supercomputer
1 Billionen Gliazellen	10¹³ emulierte Neuronen/Supercomputer
100 Billionen Synapsen	2-dimensionale Anordnung
Masse = 1,4 kg	Tonnen!
*Geschwindigkeit*
500 Impulse/s	Ca. 4 Gigahertz
*Neuromorphe Computer*
Synapsen	Memristor

Weitere Daten zum Gehirn:

Die Speicherung von Informationen erfolgt in Netzwerken von etwa 80 Milliarden Nervenzellen.
Jede Nervenzelle ist mit 10.000 anderen Zellen verbunden = 800 Billionen Verknüpfungen.
Verknüpfung entweder “an” oder “aus”
→ 10²⁴ Möglichkeiten
Anzahl der Möglichkeiten einzelne Synapsen zu aktivieren: 10²⁴¹

Weitere Daten zum Computer:

50000 Prozessoren/Supercomputer
10 Milliarden Transistoren/Chip
= 5*10¹⁵ Transistorfunktionen/ Supercomputer
= 1,25*10¹³ emulierte Neuronen/ Computer

Neuronale Struktur

Neuronale Struktur. Neurone (mit einem rosa fluoreszierenden Molekül markiert) kommunizieren über Synapsen (hier grün) miteinander .

© mit frdl. Gen. des Erin M. Schuman Lab, aus: D.C. Dieterich et al., »In situ visualization and dynamics of newly synthesized proteins in rat hippocampal neurons«, in: Nature Neuroscience 13, 897—905 (2010), genehmigt von Macmillan Publishers Ltd.

Wie das folgende Bild zeigt herrscht im Gehirn eine extreme Vernetzungsdichte. Auf einem Neuron und seinen Dendriden münden bis zu 2000 Synapsen von anderen Neuronen. Wie man seit kurzem (2015) weiß, greifen auch die sog, Stützzellen (Gliazellen) mit Ausfaserungen in die Informationsverarbeiten ein. Sie wirken auf die 100 Billionen Synapsen ein und beeinflussen die Gewichtung der Impulsübertragung.

Der Bauplan des Gehirns ist im Genom codiert – mittels (nur!) ca. 30 bis 100 Mill. Bytes. Die hohe Informations- und Verknüpfungsdichte entsteht erst durch das Lernen. Diese zu beschreiben benötigt viele Zehnerpotenzen mehr Bytes als der Bauplan.
Mithilfe des Reverse Engineerings des Gehirns sollen vergleichbare elektronische Systeme erschaffen werden, die viel langlebiger sind und Tausende Millionen Male schneller arbeiten als die elektrochemischen Mechanismen einer Nervenzelle.

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