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Biologische Motivation

Neuronale Netze sind biologisch motiviert. Unser Nervensystem, ganz besonders unser Gehirn, und auch das Nervensystem anderer Tiere ist sehr leistungsfähig. Wir sind in der Lage zu lernen und das Gelernte anzuwenden und sogar auf unbekannte Aufgaben eine kreative Lösung zu finden. Computer sind hiervon weit entfernt und werden wohl auch immer stumpfe Rechenmaschinen ohne jegliche Kreativität bleiben, da der Mensch mehr als die Summe seiner elektrischen Impulse ist. Dennoch kann man einige Prinzipien aus der Biologie in die Informatik übertragen. Dies tut man aus zwei Gründen:
  • Mit Hilfe der Computer lassen sich biologische Effekte so näher untersuchen. Biologen interessieren sich für neuronale Netze, weil sie so Beobachtungen, die sie in der Biologie gemacht haben, nachbilden können und an neuronalen Netzen erklären können. Dies soll uns jedoch nicht weiter interessieren. Wir wollen mehr in den Informatikaspekt der neuronalen Netze einsteigen.
  • Mit Hilfe der aus der Biologie übertragenen Funktionsweise lassen sich Methoden implementieren, die ganz neue Funktionen von Computern ermöglichen.
Die Nervenzelle ist nicht komplett erforscht. Das, was aber schon erforscht ist, ist schon sehr komplex. Nervenzellen bestehen aus1
  • Dendriten: Dies sind Verästelungen, welche elektrische Impulse von anderen Zellen sammeln. (auch Dendritenbaum genannt)
  • Synapsen: Synapsen befinden sich an den Dendriten, aber auch an anderen Teilen der Nervenzelle. An die Synapsen sind andere Nervenzellen angekoppelt. Über den synaptischen Spalt werden Botenstoffe übertragen, die zur Auslösung eines elektischen Signals in der Zelle führen. Die Vorgänge in den Synapsen sind komplex. Eine Nervenzelle kann bis zu 150000 Synapsen haben (die Nervenzellen im Kleinhirn).
  • Zellkern und Zellkörper: Hier findet sich das Erbgut (keine Zelle ohne Zellkern). Desweiteren finden in der Zelle Vorgänge zur Versorgung der Zelle mit Nährstoffen statt.
  • Axon (Nervenfaser): Weiterleitung des elektrischen Signals an andere Zellen. Das Axon ist wieder an die Synapsen der Nachfolgezellen angeschlossen.
Weiterhin gibt es Forschungsarbeiten darüber, dass Synapsen, wenn sie aktiviert worden sind, nicht so schnell wieder aktiviert werden können. Die Botenstoffe müssen erst neu an ihren Platz kommen. Die Weiterleitung des Signals über das Axon ist interessant. Es ist unklar, ob eine einzelne Nervenzelle nun nur ein Signal weiterleitet oder mehr Signale weiterleitet. Wieviel Bit überhaupt eine Nervenzelle hat, ist unklar, wenn man überhaupt eine Bitzahl für eine Nervenzelle festlegen kann.
Zur Darstellung im Computer abstrahiert man stark. Im Computer besteht ein Neuron (meistens) nur noch aus:
  • Gewichten an den Verbindungen von anderen Neuronen oder der Eingabe und ein Gewicht als Schwellwert.
  • Summe
  • Aktivierungsfunktion und Ausgabe
Dazu später mehr.
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