Pawlows Elektrohund

Sobald der Napf mit dem Fressen kommt, läuft dem Hund vor Vorfreude das Wasser im Maule zusammen. Kombiniert man nun das Servieren des Hundemenüs jedes Mal mit dem Bimmeln einer Glocke, so reicht bald schon das Geräusch allein aus, um das Tier zum Sabbern zu bringen. Diesen „Konditionierungsreflex“ hat der Nobelpreisträger und Verhaltenspsychologe Iwan Pawlow zu Beginn des 20. Jahrhunderts in seinen berühmt gewordenen Experimenten erforscht. Es war der Beginn der Erkundung assoziativer Lernvorgänge.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Technischen Fakultät ist es jetzt gemeinsam mit Gedächtnisforschern der Universität zu Kiel sowie dem Forschungszentrum Jülich gelungen, mithilfe spezieller Bauelemente das Verhalten des Pawlowschen Hundes elektronisch nachzubilden. Die Arbeit „An Electronic Version of Pavlov’s Dog“ erscheint in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials.

Die digitale und die biologische Informationsverarbeitung basiert auf fundamental unterschiedlichen Arbeitsweisen. Computer können mathematisch-logische Problemstellungen mit einer extrem hohen Geschwindigkeit bearbeiten. Doch sie sind schlecht im Erkennen von Mustern und Sprache. Denn: Biologische Gehirne dekodieren Information in komplexen neuronalen Netzwerken mit vielen Billionen Verbindungen.

Die Verbindungsstärken der Neuronen untereinander sind jedoch nicht starr. „Lernen bedeutet deshalb, dass sich neue Verbindungen bilden und bereits bestehende verstärkt oder geschwächt werden“, sagt der Neurologe Thorsten Bartsch von der Universität Kiel. „Neuronale Plastizität“ nennen Forscher dieses Prinzip.

Ist es möglich, mit elektronischen Bauelementen solche neuronalen, parallel arbeitenden Netzwerke nachzubauen und somit assoziative Lernvorgänge zumindest ansatzweise nachzuahmen? An dieser Schnittstelle zwischen Neurobiologie, Materialwissenschaft und Nanoelektronik arbeiten die Forscher aus Kiel und Jülich. Nun ist es ihnen gelungen, Pawlows klassisches Experiment elektronisch nachzubilden.

„Dabei haben wir mit memristiven Bauelementen das assoziative Verhalten des Pavlowschen Hundes in einer elektronischen Schaltung umgesetzt“, erklärt Hermann Kohlstedt, Leiter der Arbeitsgruppe Nanoelektronik an der Kieler Uni. Memristoren sind eine Klasse elektronischer Bauelemente, die der Wissenschaft erst seit wenigen Jahren in hoher Qualität zur Verfügung stehen. Sie haben eine Art Gedächtnis für ihre früheren Widerstandswerte. Diese Gedächtnisfunktion versuchen die Forscher zu nutzen, um Netzwerke aufzubauen, die denen im Gehirn ähneln.

„Unser langfristiges Ziel ist es, die synaptische Plastizität auf elektronische Schaltungen zu übertragen und damit sogar kognitive Fähigkeiten elektronisch nachzubilden“, so Kohlstedt. Einen kleinen Schritt in diese Richtung haben er und seine Kollegen nunmehr geschafft.

Für das Projekt wurden zwei Spannungsimpulse, die das Futter und den Glockenton des Pawlowschen Experiments repräsentierten, über einen Memristor an einen Komparator gekoppelt. Ein Komparator ist ein Bauteil, das nur dann ein Ausgangssignal (stellvertretend für den Speichelfluss des Hundes) erzeugt, wenn ein bestimmter Schwellenwert erreicht wird. In dem Experiment führte zunächst nur der Spannungsimpuls 1 (Futter) zu einem Ausgangssignal des Komparators (Speichelfluss). Der Spannungsimpuls 2 (Glocke) hingegen rief in der Grundeinstellung keinen elektronischen „Speichelfluss“ hervor.

Als dann aber beide Spannungsimpulse zugleich auf den Memristor gegeben wurden, wurde der Schwellenwert überschritten, was die Gedächtnisfunktion in Gang setzte. Nach mehrmaligen Wiederholungen führte dies zu einem assoziativen Lernprozess – ganz wie bei Pawlows Hunden. „Danach reichte es aus, nur den Spannungsimpuls 2, also den Glockenton, anzulegen, und der Komparator erzeugte ein Ausgangssignal, also den Speichelfluss“, erklärt Martin Ziegler, der Erstautor der Studie.

Die elektronische Schaltung zeigte also ein „Verhalten“, das in der Psychologie als klassische Konditionierung bezeichnet wird. Darüber hinaus war es sogar möglich, dass die Schaltung den konditionierten Reflex mit der Zeit auch wieder verlernen konnte, wenn die Spannungsimpulse nicht mehr gleichzeitig angelegt wurden – genau wie im richtigen Hundeleben.

Quelle: Universität Kiel via idw