Ein internationales Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Sydney hat nachgewiesen, dass Nanodraht-Netzwerke sowohl ein Kurz- als auch ein Langzeitgedächtnis wie das menschliche Gehirn haben können.
Die Forschungsergebnisse wurden heute in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht. Das Team unter der Leitung von Dr. Alon Loeffler, der an der School of Physics promoviert hat, arbeitet mit Kollegen in Japan zusammen.
„In dieser Forschung haben wir herausgefunden, dass kognitive Funktionen höherer Ordnung, die wir normalerweise mit dem menschlichen Gehirn in Verbindung bringen, in nicht-biologischer Hardware nachgebildet werden können“, so Dr. Loeffler.
„Diese Arbeit baut auf unserer früheren Forschung auf, in der wir gezeigt haben, wie die Nanotechnologie genutzt werden kann, um ein vom Gehirn inspiriertes elektrisches Gerät mit einem neuronalen Netzwerk-ähnlichen Schaltkreis und einer Synapsen-ähnlichen Signalübertragung zu bauen.
„Unsere aktuelle Arbeit ebnet den Weg zur Nachbildung von gehirnähnlichem Lernen und Gedächtnis in nicht-biologischen Hardwaresystemen und legt nahe, dass die zugrunde liegende Natur der gehirnähnlichen Intelligenz physikalisch sein könnte“.
Nanodraht-Netzwerke sind eine Art von Nanotechnologie, die typischerweise aus winzigen, hoch leitfähigen Silberdrähten besteht, die für das bloße Auge unsichtbar sind und von einem Kunststoffmaterial umhüllt sind, das wie ein Netz übereinander gestreut ist. Die Drähte ahmen Aspekte der vernetzten physischen Struktur des menschlichen Gehirns nach.
Fortschritte bei Nanodraht-Netzwerken könnten viele reale Anwendungen ankündigen, z. B. die Verbesserung der Robotik oder von Sensorgeräten, die in unvorhersehbaren Umgebungen schnelle Entscheidungen treffen müssen.
„Dieses Nanodraht-Netzwerk ist wie ein synthetisches neuronales Netzwerk, denn die Nanodrähte verhalten sich wie Neuronen, und die Stellen, an denen sie miteinander verbunden sind, entsprechen den Synapsen“, so die Erstautorin Professor Zdenka Kuncic von der Fakultät für Physik.
„Anstatt eine Art von maschineller Lernaufgabe zu implementieren, ist Dr. Loeffler in dieser Studie sogar noch einen Schritt weiter gegangen und hat versucht zu zeigen, dass Nanodraht-Netzwerke eine Art kognitiver Funktion aufweisen.“
Um die Fähigkeiten des Nanodraht-Netzwerks zu testen, unterzogen die Forscher es einem Test, der einer in Experimenten der menschlichen Psychologie häufig verwendeten Gedächtnisaufgabe ähnelt, der so genannten N-Back-Aufgabe.
Bei einer Person könnte die N-Back-Aufgabe darin bestehen, sich an ein bestimmtes Bild einer Katze aus einer Reihe von Katzenbildern zu erinnern, die nacheinander präsentiert werden. Eine N-Back-Punktzahl von 7, dem Durchschnittswert für Menschen, zeigt an, dass die Person dasselbe Bild wiedererkennen kann, das sieben Schritte zurück gezeigt wurde.
Bei der Anwendung auf das Nanodraht-Netzwerk fanden die Forscher heraus, dass es sich an einen gewünschten Endpunkt in einem elektrischen Schaltkreis „erinnern“ kann, der sieben Schritte zurückliegt, was eine Punktzahl von 7 in einem N-Back-Test bedeutet.
„Was wir hier gemacht haben, ist, die Spannungen der Endelektroden zu manipulieren, um die Bahnen zu zwingen, sich zu verändern, anstatt das Netzwerk einfach sein eigenes Ding machen zu lassen. Wir haben die Bahnen gezwungen, dorthin zu gehen, wo wir sie haben wollten“, sagte Dr. Loefflers.
„Das deutet darauf hin, dass wir einen Weg gefunden haben, die Bahnen zu stärken, um sie dorthin zu bringen, wo wir sie haben wollen, und das Netzwerk merkt sich das dann.
„Neurowissenschaftler gehen davon aus, dass das Gehirn so funktioniert: Bestimmte synaptische Verbindungen werden gestärkt, während andere schwächer werden, und man nimmt an, dass wir uns so bevorzugt an bestimmte Dinge erinnern, wie wir lernen und so weiter.
Die Forscher erklärten, dass das Nanodraht-Netzwerk, wenn es ständig verstärkt wird, einen Punkt erreicht, an dem diese Verstärkung nicht mehr erforderlich ist, weil die Informationen im Gedächtnis verankert sind.
„Das ist wie der Unterschied zwischen dem Langzeitgedächtnis und dem Kurzzeitgedächtnis in unserem Gehirn“, sagte Professor Kuncic.
„Wenn wir uns etwas über einen längeren Zeitraum hinweg merken wollen, müssen wir unser Gehirn wirklich ständig trainieren, um es zu festigen, sonst verblasst es mit der Zeit einfach.
„Eine Aufgabe hat gezeigt, dass das Nanodraht-Netzwerk bis zu sieben Elemente im Gedächtnis speichern kann, und zwar mit wesentlich höherer Genauigkeit als zufällig ohne Verstärkungstraining und mit nahezu perfekter Genauigkeit mit Verstärkungstraining.“
