Das Gehirn bestimmt, was der Mensch wahrnimmt und tut. Wie aber wird das Gehirn gesteuert? Dieser Frage geht Hermann Haken, Professor für Theoretische Physik an der Universität Stuttgart, in seinem neuen Buch nach. Haken ist einer der Väter der Lasertheorie und Begründer der „Synergetik” –eines Forschungsgebietes, das sich mit dem Zusammenwirken von Einzelteilen in komplexen Naturvorgängen beschäftigt. Bestes Beispiel: das Gehirn mit seinen erstaunlichen Fähigkeiten ist mehr als ein Haufen simpler Neuronen.
Wohl jeder glaubt zu wissen, was Denken ist. Doch wer es genauer definieren soll, gerät in Schwierigkeiten. Tätigkeiten, die nach unserem allgemeinen Verständnis kein Denken erfordern, kennt jeder – zum Beispiel Reflexe: Wir schließen unsere Augen, wenn sich ein Objekt schnell unserem Gesicht nähert. Wir atmen, unser Herz schlägt – selbst im Tiefschlaf. Auch um gehen oder schwimmen zu können, brauchen wir nicht angestrengt zu denken, Kleinhirn und Rückenmark kontrollieren diese Bewegungen. Häufig hört man, dies geschehe “instinktiv”. Selbst das ziemlich komplexe Verhalten von Insekten wird oft auf Instinkte zurückgeführt. Allerdings bahnt sich heute ein neues Verständnis von Insekten an, dem eher Computermodelle zugrunde liegen. Instinkte jedenfalls bringt niemand mit Denken in Verbindung.
Wir sprechen gewöhnlich von Denken, wenn höhere Gehirnaktivitäten beteiligt sind: beim Verstehen und der Bildung von Sprache, der Analyse von Szenen und von Bildern – immer dann, wenn den visuellen oder akustischen Mustern eine Bedeutung zugeordnet werden kann.
Wir denken, wenn wir Situationen analysieren: Wie könnte die Diagnose eines Arztes lauten? Soll ich von dem Sonderangebot eines Supermarktes Gebrauch machen? Lohnt es sich, diesen Artikel bis zum Schluß weiterzulesen? Wir denken beim Planen und wenn wir Entscheidungen treffen. Wir sind überzeugt, daß das Schachspiel oder die Lösung mathematischer Pro-bleme ein großes Maß an Denken erfordert. Denken ist verknüpft mit Bewußtsein und Introspektion, beides riesige Gebiete, die bisher größtenteils unerforscht geblieben sind.
Das Problem stößt zur Zeit auf großes öffentliches Interesse durch die Frage, ob Tiere denken können oder Bewußtsein haben (siehe bild der wissenschaft 7/1997, “Haben Tiere doch ein Bewußtsein?”). Zahlreiche Experimente zeigen immer deutlicher, daß ganz verschiedene Spezies in der Tat denken können.
Es könnte auch eine Art von Hierarchie der Intelligenz geben, wenn wir Intelligenz im Tierreich mit der von Menschen vergleichen. Um einen wichtigen Punkt vorwegzunehmen: Die heutigen Computer sind weit davon entfernt, intelligent zu sein, einen Intelligenz-Quotienten (IQ) für Computer gibt es nicht.
Die Mechanisierung geistiger Prozesse hat eine lange Geschichte, die bis zu Gottfried-Wilhelm Leibniz und anderen zurückdatiert, die mechanische Rechner entwarfen. Während die ersten elektronischen Computer aus Elektronenröhren bestanden, basieren moderne Computer auf Halbleiterelementen: Siliziumchips, auf denen Millionen von einzelnen funktionalen Elementen integriert sind. Künftige Computer werden wahrscheinlich nicht nur auf Halbleitern, sondern auch auf Lasern und molekularer Elektronik beruhen. Alle diese Computer haben gemein, daß sie die Operationen nacheinander ausführen.
Unabhängig vom materiellen Substrat sind die individuellen Komponenten eines Computers logische Elemente, die die mathematischen Operationen einer sogenannten Booleschen Algebra erfüllen können. Diese mathematischen Operationen sind nicht die Multiplikation von Zahlen, sondern logische Operationen wie “und” und “oder”.
Eine Verbindung zwischen logischen Operationen und den Grundrechenarten Multiplikation, Addition, Subtraktion und Division kann man leicht herstellen, wenn man ein sogenanntes binäres System von Zahlen verwendet. In diesem System wird jede Zahl dargestellt durch Nullen und Einsen. Diese Art zu zählen ist die Grundlage für das “Denken” der Computer.
Ein wichtiges Konzept in der Theorie der Berechnungen – und inzwischen auch in einigen Gehirntheorien – ist die Turing-Maschine. Sie wurde von dem englischen Mathematiker Alan Mathison Turing 1936 als abstraktes Modell für Automaten entworfen. Im Sinne der Turing-Maschine wird ein mathematisches Problem berechenbar genannt, wenn die Maschine nach einer endlichen Zeit zum Stillstand kommt. Die Turing-Maschine spielt eine wichtige Rolle bei der Diskussion und bei Beweisen, die sich auf “Berechenbarkeit” beziehen.
In einigen Diskussionen über die Natur von Gehirnaktivitäten taucht das Konzept der Turing-Maschine im Zusammenhang mit diesem “Halt”-Problem auf. Wir können zum Beispiel der Turing-Maschine das Problem des Erkennens von sogenannten “Kippfiguren” vorlegen. Die bekannteste ist vielleicht das Bild, bei dem wir abwechselnd eine helle Vase auf dunklem Grund oder zwei dunkle Gesichter auf hellem Grund sehen. Wir bitten also die Turing- Maschine zu entscheiden, ob sie eine Vase oder zwei Gesichter sieht. Die Lösung ist oszillatorisch – die Turing- Maschine erkennt abwechselnd das eine oder das andere, sie kommt zu keinem Halt.
Unser Gehirn zeigt uns, wie es dieses Problem löst: nämlich mit Hilfe von Schwingungen. Wenn wir das Problem auf ein höheres Niveau transformieren, indem wir fragen: Gibt es hier Schwingungen?, so wird die Turing-Maschine sofort die Frage positiv beantworten und zu einem Halt kommen.
Nach dem Erscheinen des Computers wurde bald klar, daß diese neue Maschine nicht nur Zahlen manipulieren kann, sondern auch mit Symbolen arbeitet. Dies ist für uns selbstverständlich, wenn wir etwa an die Textverarbeitung mit einem PC denken, mit der ganze Sätze umgestellt oder Wörter ausgetauscht werden können. Andererseits müssen wir uns aber bewußt sein, daß diese Operationen immer noch sehr primitiv sind – das ist nicht etwa ein intelligentes Verhalten des Computers.
Das Ziel der künstlichen Intelligenz ist weiter gesteckt. Es beruht auf der Idee, daß Objekte und Vorgänge in unserem Gehirn mit Hilfe von Symbolen dargestellt werden. Gemäß der Auffassung der künstlichen Intelligenz ist Denken nichts anderes als eine Verarbeitung dieser Symbole gemäß spezieller Regeln. So wurden Programme entwickelt, um zu zeigen, daß sich viele Probleme auf diese Weise lösen lassen.
Das Buch zum Thema Mehr zu der Frage, wie das Gehirn denkt, lesen Sie in dem neuen Buch von Hermann Haken und Maria Haken-Krell, das jetzt in der Deutschen Verlags-Anstalt Stuttgart erschienen ist: “Gehirn und Verhalten – Unser Kopf arbeitet anders, als wir denken”. 280 Seiten mit zahlreichen Abbildungen, DM 39,80. Dieser Beitrag stützt sich auf ein Kapitel in dem Buch.
Ein Beispiel dafür sind Schachcomputer, die sehr stark geworden sind und gelegentlich sogar Großmeister schlagen können – wie kürzlich den amtierenden Weltmeister Garri Kasparov. Das Geheimnis des Erfolgs von Schachcomputern liegt in ihrer Geschwindigkeit. Sie können eine riesige Zahl von Zügen in kürzester Zeit überprüfen. Diese Computer arbeiten vollständig anders, als ein geübter Schachspieler spielt. Sie arbeiten mehr mit schierer Gewalt als mit Intelligenz.
Wenn wir die Geschwindigkeit betrachten, mit der typische Aufgaben des täglichen Lebens von einem Computer und vom menschlichen Gehirn gelöst werden, so finden wir sofort eine gewaltige Diskrepanz.
Wenn wir zum Beispiel eine Szene wahrnehmen, so muß unser Gehirn – zu dem auch unsere Augen zählen – Milliarden von Bits verarbeiten, und zwar in Sekundenschnelle. Andererseits arbeiten die einzelnen Bestandteile des Gehirns, die Neuronen, langsam: im Bereich von einigen Tausendstel Sekunden. Wenn wir eine größere Anzahl solcher Neuronen hintereinanderschalten, würde es nicht nur Stunden, sondern Jahre dauern, bis wir eine Szene erkannt hätten. Trotz dieser Langsamkeit seiner Elemente kann das Gehirn eine ungeheuer große Menge Information im Bruchteil einer Sekunde verarbeiten.
Im Gegensatz hierzu arbeiten die Computerelemente sehr schnell. Dennoch ist der konventionelle Computer viel zu langsam und nicht einmal fähig, Szenen zu erkennen. Allein schon aus diesen Gründen kann das Gehirn nicht wie ein serieller Computer funktionieren – es arbeitet vielmehr parallel.
Wenn wir auf unsere Erfahrungen mit Computern zurückschauen, erkennt man eine interessante Wandlung: Was ursprünglich für einen Computer schwierig zu sein schien, ist jetzt ziemlich einfach, zum Beispiel Schachspielen, und was ursprünglich einfach schien – nämlich die Erkennung von Mustern, Gesichtern oder Gesichtsausdrücken, die Analyse von Szenen, die Wahrnehmung von Sprache -, hat sich als schwierig erwiesen.
Es gibt Hinweise, daß manche Erfahrungen nicht formalisierbar sind. Im Alltagsleben wird unser Verhalten in bestimmten Situationen eher von Intuition, die sich oft auf eingelernte Muster stützt, denn von Algorithmen bestimmt. Schwierigkeiten entstehen schon in einfach erscheinenden Aufgaben, etwa bei Übersetzungen: Oft haben Wörter oder Sätze eine doppelte oder gar ironische Bedeutung. Kann ein Computer das jemals erkennen?
Es gibt noch viele Möglichkeiten, um scheinbar unformalisierbare Erfahrung in formalisierbare zu transformieren. Anders ausgedrückt: Es gibt immer noch eine große Zahl von Möglichkeiten, um Computer zu verbessern. Andererseits haben die heutigen Computer sicher noch einen langen Weg vor sich, bevor sie wirklich denken können – und die Gehirnforschung kann uns hier mit Einsichten versehen, von denen wir früher nicht einmal zu träumen wagten.
Hermann Haken
