Leistungsfähige Systeme nach dem Vorbild des Gehirns bauen

CITEC-Wissenschaftlerin forscht an künstlichen Nervensystemen

Die Wissenschaftlerin Professorin Dr. Elisabetta Chicca forscht an Systemen zur Informationsverarbeitung, die dem menschlichen oder tierischen Gehirn nachempfunden sind. Sie sind in der Lage, Informationen deutlich effektiver zu verarbeiten als herkömmliche Computer. Zunächst einmal gilt es, die Grundlagen dafür zu identifizieren.


Professorin Dr. Elisabetta Chicca forscht an der Entwicklung von künstlichen Nervensystemen.Lange Zeit sind Computer immer schneller geworden. Doch inzwischen stößt die Entwicklung an ihre Grenzen: Die Chiphersteller rechnen inzwischen in Nanometern, wenn es darum geht, die Anzahl der Transistoren auf den Chips zu verdichten. Im Vergleich zum menschlichen Gehirn verbrauchen Computer deutlich mehr Energie und sind darüber hinaus nicht selten in ihrer Rechenleistung nicht so effektiv.

An Computerchips, die ressourcenschonend und zugleich leistungsstark sind, forscht Professorin Dr. Elisabetta Chicca am Exzellenzcluster CITEC. Ihre Forschungsgruppe bildet dort Systeme zur Informationsverarbeitung nach, die in ihrer Struktur dem Gehirn nachempfunden sind. Deshalb werden solche Systeme auch als neuromorphe Systeme bezeichnet – und sie funktionieren ganz anders als ein herkömmlicher Computer. „Herkömmliche Systeme brauchen vergleichsweise lange, um auf den Speicher zuzugreifen, Daten abzurufen oder auf den Speicher zu schreiben“, sagt die Wissenschaftlerin. Das liegt unter anderem daran, dass Speicher und Prozessor getrennt voneinander arbeiten.

Im Gehirn und auch bei den neuromorphen Systemen ist das anders: Speicher und Prozessor sind miteinander verzahnt. Informationen werden über sogenannte Pulse codiert, die ganz ähnlich wie Aktionspotenziale funktionieren, mit denen neuronale Zellen Informationen weiterleiten. Das Problem: Niemand weiß bislang genau, wie ein Gehirn eigentlich funktioniert. Deshalb ist es auch schwierig, es mit seinen Funktionen nachzubauen. „Mir geht es zunächst einmal um die Grundlagenforschung“, sagt Chicca.

Daher konzentrieren sich Chicca und ihre Forschungsgruppe Neuromorphe Systeme einmal auf Teilbereiche: Sie forschen zum Beispiel dazu, das visuelle System von Insekten in analogen Schaltkreisen nachzubilden. „Viele kleine Insekten sind sehr leistungsstark darin, sich in komplexen Umgebungen zu orientieren“, sagt die Wissenschaftlerin. Dabei brauchen sie erstaunlich wenig Rechenleistung – ein Teilbereich ihres Gehirns ist auf genau diese Aufgabe spezialisiert und löst sie sehr effizient. Zudem sind sie in der Lage, im Flug sehr schnell auf Änderungen in der Umgebung zu reagieren und zum Beispiel einer Fliegenklatsche auszuweichen.

Doch auch das Sehsystem der Insekten ist in seinen biologischen Grundlagen noch nicht abschließend erforscht. „Wir sind in einem engen Austausch mit Biologen, um unsere Modelle zu entwickeln“, sagt die Professorin. Dabei gibt es auch Rückkopplungen: Testen die Forschenden die Modelle technisch, können sie den Biologen Rückmeldungen geben.

Elisabetta Chicca war zunächst Professorin auf Zeit: Das Exzellenzcluster CITEC hat seit seinem Anfang im Jahr 2007 insgesamt vier Juniorprofessuren in unterschiedlichen Disziplinen ausgeschrieben und besetzt:  2009 Dr. Pia Knoeferle in der Fakultät für Linguistik und Literaturwissenschaft, ebenfalls 2009 Dr. Friederike Eyssel in  der Fakultät für Psychologie und Sportwissenschaft (Abteilung für Psychologie), 2010 Dr. Jacob Engelmann und 2011 Dr. Elisabetta Chicca in der Technischen Fakultät. Alle vier Juniorprofessuren wurden mit einer Tenure-Track-Option ausgestattet, also der Zusage, nach einer mehrjährigen Bewährungszeit eine Lebenszeitprofessur („Tenure“) erhalten zu können. Voraussetzung ist eine Evaluation – nach drei und nach sechs Jahren – durch die Fakultät. „Das war für mich sehr attraktiv“, sagt Chicca. „Ich hätte sonst meine Familie nur schwer davon überzeugen können, dass ich diese Stelle annehme. So aber bestand die Chance, dass wir dauerhaft bleiben können.“ Das sei ein großer Vorteil gewesen, da die meisten Stellen für Akademiker befristet sind.

Inzwischen sind alle vier Juniorprofessoren des Exzellenzclusters CITEC als ordentliche Professorinnen und Professoren berufen worden. 2014 wurde Dr. Pia Knoeferle (inzwischen an der Humboldt-Universität zu Berlin) auf die Professur „Sprache und Kognition“ berufen. Dr. Friederike Eyssel wurde zum Wintersemester 2015/2016 mit der Professur „Gender, Emotion und Kognitive Interaktionstechnologie“ ausgestattet. Dr. Jacob Engelmann wurde zum 1. März 2016 auf die Professur „Active Sensing“ (Aktive Wahrnehmung) berufen. Dr. Elisabetta Chicca besetzt seit Juni 2017 eine Professur in der Technischen Fakultät.

Kontakt:
Prof. Dr. Elisabetta Chicca, Universität Bielefeld
Exzellenzcluster CITEC / Forschungsgruppe Neuromorphe Systeme
Telefon: 0521 106-12043
E-Mail: chicca@cit-ec.uni-bielefeld.de

Autorin des Artikels: Maria Berentzen