Forscher wollen KI-Systeme mit neuen Arten von „Gehirnzellen“ verbessern

Ein Forscherteam am MIT möchte die Leistung neuronaler Netze verbessern, indem es sie mit Strukturen kombiniert, die auf anderen Zelltypen im Gehirn basieren. Das Forschungsteam wird auf Astrozyten basierende Strukturen in neuronale Netze integrieren, um zu ermöglichen, dass neuronale Netze die Art und Weise verändern, wie ihre Signale über Zeitskalen hinweg verarbeitet werden.

Tiefe neuronale Netze sind von den neuronalen Netzen des menschlichen Gehirns inspiriert. Reinforcement-Learning-Algorithmen lernen im Laufe der Zeit aus ihren Misserfolgen und Erfolgen und ermöglichen es ihnen, komplexe Herausforderungen wie die Spiele Schach und Go zu meistern. Allerdings haben tiefe neuronale Netze Schwierigkeiten, wenn sie auf häufige Probleme stoßen, mit denen Menschen zu kämpfen haben. Jede Situation, die allgemeines Wissen erfordert, das nicht in der aktuellen Domäne oder Umgebung erworben wurde, ist für tiefe neuronale Netze schwierig zu bewältigen.

Laut dem Picower Institute des MITZiel des Forschungsteams ist es, tiefe neuronale Netze robuster, vielseitiger und zuverlässiger zu machen, indem es dem neuronalen Netz eine Art Struktur hinzufügt, die auf Astrozytenzellen basiert.

Wie der Newton-Professor für Neurowissenschaften am MIT, Mriganak Sur, erklärt, hat die Betonung der Neuronen dazu geführt, dass andere Arten von Gehirnzellen, die wichtige Rollen im Gehirn spielen, ignoriert werden. Sur erklärte, dass es derzeit selbst bei hochmodernen tiefen neuronalen Netzen schwierig sein kann, Faktoren in einer Umgebung zu berücksichtigen und daraus zu lernen, wenn sich die Regeln/der Kontext nicht ändern oder die Zeit keine Rolle spielt. Unter solchen Bedingungen kann es für ein neuronales Netzwerk schwierig sein, den Überblick über erfolgreiche Strategien im Laufe der Zeit zu behalten, den Kompromiss zwischen Erkunden und Ausnutzen auszubalancieren und das Gelernte auf ähnliche Aufgaben in einem anderen Kontext anzuwenden.

Laut Sur deuten aktuelle Erkenntnisse darauf hin, dass Astrozyten dank ihrer Fähigkeit, als paralleles Netzwerk neben den Neuronen zu fungieren, eine wichtige Rolle dabei spielen, einem Gehirn die Ausführung der oben genannten Aufgaben zu ermöglichen. Die Einführung von Astrozyten in ein neuronales Netzwerk würde es der KI ermöglichen, über lange Zeitskalen gesammelte Informationen zu integrieren, ähnliche Situationen zu erkennen, erlernte Fähigkeiten wiederzuverwenden und die synaptischen Verbindungen zwischen Neuronen zu modulieren. Astrozyten leiten Neuronen im präfrontalen Kortex des Gehirns bei der Erkundung von Szenarien und unterstützen Zellen im Striatum dabei, Situationen auszunutzen, beides wird durch chemische Neuromodulatoren gesteuert.

Laut Sur deuten aktuelle Erkenntnisse darauf hin, dass Astrozyten dank ihrer Fähigkeit, als paralleles Netzwerk neben den Neuronen zu fungieren, eine wichtige Rolle dabei spielen, einem Gehirn die Ausführung der oben genannten Aufgaben zu ermöglichen. Die Einführung von Astrozyten in ein neuronales Netzwerk würde es der KI ermöglichen, über lange Zeitskalen gesammelte Informationen zu integrieren, ähnliche Situationen zu erkennen, erlernte Fähigkeiten wiederzuverwenden und die synaptischen Verbindungen zwischen Neuronen zu modulieren. Astrozyten leiten Neuronen im präfrontalen Kortex des Gehirns bei der Erkundung von Szenarien und unterstützen Zellen im Striatum dabei, Situationen auszunutzen, beides wird durch chemische Neuromodulatoren gesteuert.

Das Forschungsteam wird anhand verschiedener Experimente, die jeweils von unterschiedlichen Spezialisten durchgeführt werden, untersuchen, wie Astrozyten tiefe neuronale Netzwerke erweitern können. Experimentelle Ergebnisse werden verwendet, um die Theorie des Forschungsteams zu verfeinern. Die Forscher werden Daten aus einfachen Experimenten sowohl an Mäusen als auch an Menschen sammeln und beobachten, wie sich Veränderungen in Gehirnregionen, Astrozyten und Neuromodulatoren auf die Leistung auswirken.

Schließlich werden Alfonso Araque und Sur Mäuse überwachen, um zu sehen, wie Astrozyten funktionieren, während sie lernen. Sie werden auch die Astrozyten manipulieren, um zu sehen, wie sich dies auf den Prozess des verstärkenden Lernens auswirkt.

Wie erklärt vom Team in seinem Stipendium:

„Unsere zentrale Hypothese ist, dass die Interaktion von Astrozyten mit Neuronen und Neuromodulatoren die Quelle der Rechenleistung ist, die es dem Gehirn ermöglicht, auf natürliche Weise Belohnungslernen durchzuführen und viele Probleme zu überwinden, die mit hochmodernen Verstärkungslernsystemen (Reinforcement Learning, RL) verbunden sind.“