Die Fähigkeit des menschlichen Gehirns, komplexe Probleme zu lösen und Informationen zu verarbeiten, ist seit langem Gegenstand von Faszination und Forschung. Ein besonders interessanter Aspekt ist die Frage nach der tatsächlichen Rechenleistung des Gehirns pro Sekunde und wie diese im Vergleich zu modernen Computern abschneidet.
Die Messung der Denkgeschwindigkeit
Neurowissenschaftler haben sich der Herausforderung gestellt, die Geschwindigkeit zu quantifizieren, mit der wir denken und Informationen verarbeiten. In einer aufschlussreichen Studie haben Jieyu Zheng und Markus Meister vom California Institute of Technology (Caltech) die Informationstheorie genutzt, um die mentale Geschwindigkeit zu messen.
Die Informationstheorie, die oft im Zusammenhang mit dem Speicherplatz von Computern und Handys verwendet wird, bietet ein mathematisches Konstrukt zur Bemessung des Informationsgehalts. Zheng und Meister wandten dieses Konzept auf die menschliche Kognition an, indem sie analysierten, wie schnell Menschen Aufgaben wie das Lösen eines Rubik's Cube bewältigen.
Ihre Ergebnisse waren überraschend. Sie stellten fest, dass Tommy Cherry, ein Weltrekordhalter im Speedcubing, beim Lösen eines Rubik's Cube mit verbundenen Augen eine Denkgeschwindigkeit von lediglich 11,8 Bit pro Sekunde erreichte. Im Vergleich zu modernen Computern, die Milliarden von Bits pro Sekunde verarbeiten können, erscheint diese Zahl geradezu lächerlich.
Die Forscher berechneten auch, wie schnell wir andere Situationen meistern. Zum Beispiel, wie schnell jemand mit uns sprechen kann, ohne dass wir überfordert sind, wie schnell wir selbst reden können, ohne Füllwörter zu benutzen, oder ab welcher Geschwindigkeit wir vom Tetris-Spiel kognitiv so beansprucht sind, dass wir die Steine nicht mehr schnell genug setzen können. In jedem Bereich, den die Forscher überprüften, waren die Bestleistungen immer noch ziemlich langsam. Über 50 Bit pro Sekunde kamen auch die schnellsten Denkerinnen und Denker bei keiner der Aufgaben hinaus.
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Die Diskrepanz zwischen Potenzial und Leistung
Diese Ergebnisse werfen eine faszinierende Frage auf: Warum denken wir so langsam, obwohl unser Gehirn über eine immense Rechenleistung verfügt?
Vergleicht man es mit den Informationsraten, die wir von Computern kennen, sind unsere in etwa zehn Bit pro Sekunde fast peinlich. »Selbst wenn jemand 100 Jahre lang niemals schläft und 24 Stunden am Tag sein Wahrnehmungslimit vollständig ausreizt, dann hat er am Ende gerade einmal so viele Informationen gesammelt, wie auf einen kleinen USB-Stick passen«, schreiben die Studienautoren.
Das Gehirn enthält etwa 50 bis 100 Milliarden Nervenzellen, von denen jede einzelne zehn Bit oder mehr pro Sekunde verarbeiten kann. Allein die Nervenbahn, die die Augen mit der Sehrinde im Gehirn verbindet, kann den Berechnungen zufolge bis zu 100 Millionen Bit pro Sekunde verarbeiten.
Die Diskrepanz zwischen der theoretischen Kapazität des Gehirns und seiner tatsächlichen Leistung ist enorm. Die Kapazität des Gehirns übersteigt dessen Leistung um das Hundertmillionenfache.
Mögliche Erklärungen für die "langsame" Denkgeschwindigkeit
Es gibt verschiedene Theorien, die versuchen, diese Diskrepanz zu erklären:
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- Flexibilität und Reaktionsfähigkeit: Simon Laughlin von der University of Cambridge argumentiert, dass eine zu hohe Auslastung der Rechenkapazität des Gehirns unsere Flexibilität und Reaktionsfähigkeit einschränken würde. Es wäre keine Kapazität mehr übrig, um auf überraschende Ereignisse schnell zu reagieren.
- Selektion und Filterung: Ein Großteil der Rechenkapazität des Gehirns könnte darin gebunden sein, andere Handlungsimpulse zu unterdrücken und Störfaktoren herauszufiltern. Solche Aufgaben würden aber in der Berechnung der Informationsrate nicht berücksichtigt.
- Evolutionäre Zwänge: Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung argumentiert, dass es evolutionär nicht notwendig war, schneller zu denken. Wir haben es auch so geschafft, den größten Gefahren auszuweichen. Um bedeutend schneller zu werden, fehlte der entsprechende evolutionäre Druck.
- Energieeffizienz: Das Gehirn muss mit der Energie zurechtkommen, die man aus Nahrungsmitteln gewinnt. Maschinen können im Gegensatz zum Gehirn fast unbegrenzt Ressourcen verbrauchen.
Die Stärken des Gehirns gegenüber Computern
Obwohl Computer in Bezug auf die reine Rechengeschwindigkeit überlegen sind, hat das menschliche Gehirn seine eigenen Stärken:
- Kreative Intelligenz: Das Gehirn befähigt den Menschen, in einer komplizierten Situation intuitiv abzuschätzen, was jetzt zu tun ist. Es kann Erfahrungen und Vorwissen aus sehr unterschiedlichen Gedächtniszentren in Sekundenschnelle bruchstückhaft zusammensetzen und in einen größeren Bedeutungszusammenhang stellen.
- Fehlertoleranz: Das Gehirn kann selbst dann noch sehr leistungsfähig arbeiten, wenn es Schaden genommen hat. Ein einziger fehlerhafter Transistor in einem Mikroprozessor hingegen kann das komplette System nutzlos werden lassen.
- Energieeffizienz: Das menschliche Gehirn kommt mit einer Leistung von 20 Watt aus, während Supercomputer Megawatt verbrauchen.
Die Zukunft der Mensch-Maschine-Interaktion
Die Erkenntnisse über die Rechenleistung des Gehirns und seine Stärken und Schwächen im Vergleich zu Computern haben wichtige Implikationen für die Zukunft der Mensch-Maschine-Interaktion.
Einige Forscher glauben, dass wir in Zukunft in vielen Aufgaben kürzertreten müssen, da Maschinen in allen Aufgaben besser sein werden als Menschen. Die Leistungsfähigkeit von Maschinen verdoppele sich ungefähr alle zwei Jahre, die der Menschen bleibe konstant.
Andere argumentieren, dass wir uns nicht eins zu eins nachbilden wollen. Ziel unserer Forschung ist es, die Defizite menschlicher Intelligenz in konkreten Bedarfsfeldern durch intelligente Assistenzsysteme auszugleichen.
Es ist wahrscheinlich, dass die Zukunft eine Kombination aus beidem sein wird. Computer werden uns weiterhin in bestimmten Bereichen übertreffen, aber das menschliche Gehirn wird seine einzigartigen Stärken in Bezug auf Kreativität, Intuition und Anpassungsfähigkeit behalten. Die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine wird es uns ermöglichen, neue Höhen der Innovation und Problemlösung zu erreichen.
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Supercomputer simulieren das Gehirn
Trotz aller Unterschiede versuchen Wissenschaftler, das Gehirn auf Supercomputern abzubilden. Mit dem viertschnellsten Supercomputer der Welt haben Forscher aus Deutschland und Japan es erstmals geschafft, 1,73 Milliarden Nervenzellen und 10,4 Billionen Synapsen zu simulieren.
Das neuronale Netzwerk, das wir berechnet haben, entspricht trotz seiner enormen Größe gerade einmal einem Prozent des gesamten menschlichen Gehirns. Die Nervenzellen wurden zufällig miteinander verknüpft, sodass sich noch keine neuen neurowissenschaftlichen Erkenntnisse ableiten lassen. Dennoch ist die Simulation eine richtungsweisende Vorarbeit, beispielsweise für das Human Brain Project. Sie zeigt, was heute technologisch möglich ist und wo die Grenzen liegen.
Wissenschaftler versprechen sich von der Simulation der Hirnaktivität neue Erkenntnisse zu hochkomplexen Fragen, etwa zu den Ursachen neurodegenerativer Erkrankungen wie Parkinson oder Demenz.
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