NEURONALE NETZE 1

Fragen zur menschlichen Erkenntnis

Wie ist menschliche Erkenntnis überhaupt möglich? Der alleinige Empfang von Sinnesdaten ist dafür sicherlich nicht ausreichend, denn auch eine Kamera sammelt Daten in Form von Lichtstrahlen. Damit wir nicht nur ein Bild aus lauter zusammenhangslosen bunten Lichtpunkten wahrnehmen, sondern so etwas Strukturiertes wie z.B. einen Baum, muss den empfangenen Sinnesdaten etwas Geistiges gegenüberstehen, mit dessen Hilfe wir Dinge erst erkennen können. Welcher Art ist dieses Geistige in uns, und was für eine Rolle spielt es im Erkenntnisprozess? Wie viel Wahrheitsgehalt hat das durch die Sinne vermittelte Wissen über die Welt?

Das alles sind Fragen, die lange Zeit eine reine Domäne der Philosophie waren. Aber gerade in jüngster Zeit haben verschiedene Wissenschaftsgebiete, wie beispielsweise die Gehirnforschung und im speziellen die Neuroinformatik, wichtige Beiträge hierzu geliefert. Zunächst zur Philosophie.

Wie erkennt der Mensch, was er erkennt?

Der naive Realismus - der Mensch erlebt die Welt so wie sie ist - wurde bereits von Platon (427-347 v. Chr.) verworfen.

Für Thomas von Aquin (1225-1274) ist Wahrheit nach seiner Adäquations­theorie die Angleichung von Ding und Verstand. Danach nähert sich unsere Erkenntnis in dem Maße der Wirklichkeit, wie sich unser Denken den äußeren Dingen anpasst. Die Erkenntnisfähigkeit richtet sich also nach den äußeren Dingen und der Verstand schöpft seine Gesetze aus der Natur.

Eine etwas andere Sicht vertrat Nikolaus von Kues (1401–1464). Menschliche Erkenntnis kommt uns nicht einfach nur von außen zu, sondern das erkennende Subjekt spielt dabei eine aktive und schöpferische Rolle. Menschliches Denken ist nicht nur partizipierend, sondern es modelliert aktiv mit, was wir Erkenntnis nennen.

Damit sprach bereits Nikolaus von Kues aus, was von René Descartes (1596-1650) eingehender thematisiert wurde, aber erst durch Immanuel Kant (1724-1804) die Philosophie wirklich revolutionierte.

Immanuel Kant (1724-1804) war einer der bedeutendsten Philosophen. Sein Werk Kritik der reinen Vernunft gilt als Beginn der modernen Philosophie.

In seinem Hauptwerk Kritik der reinen Vernunft greift Kant den naiven Glauben an eine Objektivität der Erkenntnis an.
Nach Kant existieren im erkennenden Subjekt apriorische (angeboren; vor aller Erfahrung) Anschauungsformen und Denkformen (Kategorien), die eingehende Sinnesdaten ordnen und Erkenntnis erst ermöglichen. Anschauungsformen sind Prinzipien des sinnlichen Erkennens, und Denkformen Prinzipien des Verstandes. Diese apriorischen Prinzipien unseres Erkenntnisvermögens projizieren eine Art Ordnungsraster auf die eigentlich ungeordnete Objektwelt, wodurch wir erst Ordnung konstruieren. Die Anschauungs- und Denkformen sind wie eine farbige Brille hinter unseren Augen, die all unsere Wahrnehmung subjektiv einfärbt und verhindert, dass wir das Ding an sich (die absolute Realität, das was hinter allen Erscheinungen/Phänomenen steht) erkennen können. Alles Objektive wird durch die Anschauungs- und Denkformen subjektiv geprägt. Was die Welt an sich ist, bleibt uns dadurch für immer verborgen.

Für Isaac Newton (1643-1727) waren Raum und Zeit vom Menschen unabhängige, objektive Gegebenheiten. Newton schrieb in der Principia: „Der absolute Raum bleibt vermöge seiner Natur und ohne Beziehung auf einen äußeren Gegenstand stets gleich und unbeweglich.“ Und: „Die absolute Zeit verfließt an sich und vermöge ihrer eigenen Natur gleichförmig und ohne Beziehung auf einen äußeren Gegenstand.“
Kant verwirft Newtons Sicht und erklärt Raum und Zeit zu Anschauungsformen der Sinne. Er subjektiviert Raum und Zeit und verneint ihren objektiven Charakter.
Ebenso ist nach Kant die Kausalität nichts objektiv Gegebenes, sondern eine Denkform (Kategorie) des Verstandes. Die apriorischen Anschauungs- und Denkformen werden vom Menschen erst in die Welt hineingetragen, existierten also nicht unabhängig von ihm. Dasselbe soll für die Naturgesetze gelten.
Der Königsberger Gelehrte schrieb 1783 in den Prolegomena zu einer jeden künftigen Metaphysik, die als Wissenschaft wird auftreten können:
„Der Verstand schöpft seine Gesetze (a priori) nicht aus der Natur, sondern schreibt sie dieser vor.“

Ein sicherlich radikaler Standpunkt, denn seit der Antike glaubten die meisten Philosophen, dass die Erkenntnis sich nach den Dingen richten müsse und nicht die Dinge nach unserem Erkenntnisapparat.
Kant bezeichnet diesen Standpunktwechsel in seinem Vorwort zur zweiten Auflage der Kritik der reinen Vernunft als die kopernikanische Wende in der Philosophie: Ähnlich wie Kopernikus die Sonne anstelle der Erde in den Mittelpunkt des Universums gerückt hat, stellt Kant nun das erkennende Ich ins Zentrum.

Aber woher kommen nun eigentlich diese angeborenen Anschauungs- und Denkformen in uns? Dazu hat Konrad Lorenz (1903-1989) einige interessante Aussagen gemacht.

Spiegel der Erkenntnis

Narziss - Bild von Caravaggio (1573-1610) Rom, Nationalgalerie Antike Kunst. Narziss verliebt sich in sein Spiegelbild, nicht erkennend, dass es sein eigenes ist. Bei dem Versuch sich mit diesem Spiegelbild zu vereinigen ertrinkt er.

So wie die Flosse eines Fisches optimal an das sie umgebende Wasser angepasst ist und die Flossenform in gewisser Hinsicht die Eigenschaften des Wassers widerspiegelt, haben sich auch die menschlichen Anschauungs- und Denkformen im Laufe der Evolution optimal an die uns umgebende Realität angepasst. Analog zur Flossenform könnte man sagen, dass die apriorischen Denkformen unseres Verstandes die Eigenschaften einer geistigen Seinssphäre widerspiegeln, die (für uns ebenso unsichtbar wie das Wasser für den Fisch) hinter der sichtbaren materiellen Welt existiert. Das erkennende Bewusstsein wird so zu einer Art Spiegel, und die Rückseite dieses Spiegels symbolisiert die physiologische Objektseite unseres Erkenntnisapparates: Sinnesorgane und Nervensystem. Das Ding an sich (die absolute Realität) spiegelt sich in unserem Bewusstsein, und je nach Zustand dieses „Spiegels“ zeigt sich uns eine bestimmte subjektive Wirklichkeit.

Kant hat in der ersten Auflage seiner Kritik der reinen Vernunft die Vermutung geäußert, es sei nicht unmöglich, dass das Ich und das Ding an sich ein und dieselbe denkende Substanz seien. In seiner zweiten Auflage hat Kant diesen Satz jedoch wieder gestrichen.
Tat tvam asi (sanskritisch, „Das bist du“), ein Satz aus den Upanishaden, drückt den gleichen Gedanken aus. Der Satz besagt, dass Atman - das individuelle Selbst in seinem reinen und ursprünglichen Zustand - gänzlich oder teilweise identisch ist mit dem Selbst der Welt (Brahman), dem Urgrund der Dinge, der ultimativen Realität, dem, was hinter allen Phänomenen steht.*

Aber von der Welt kann der Mensch immer nur so viel erkennen, wie es der momentane Entwicklungszustand seines Erkenntnisapparats zulässt. Wir haben zwar ein Bild von der Welt, das mit der realen Welt Übereinstimmungen aufweist, aber letztendlich sind alle unsere Erkenntnisse nur Arbeitshypothesen.

Dass der menschliche Geist bei seiner Geburt keine Tabula rasa (leere Tafel) ist, wie es die radikalen Empiristen behaupten, sondern bereits angeborene subjektive Erkenntnisstrukturen mitbringt, ist durch zahlreiche Experimente belegt: Schon Neugeborgene zeigen Fähigkeiten wie z.B. Bewegungssehen, Farb-, Tiefen- und Gestaltwahrnehmung. Diese modernen Entdeckungen geben Kant in einem neuen Sinne gegen den radikalen Empirismus Recht, welcher seit zweihundert Jahren eine fast ununterbrochene Vorherrschaft in der Wissenschaft behauptete und das Angeborensein von Erkenntniskategorien als etwas Unwissenschaftliches abtat.

Noch weiß niemand, wie die angeborenen Erkenntniskategorien an die nächste Generation weitergegeben werden, aber dass solche kollektiven Erfahrungs­schätze existieren, darauf deutet sowohl die Vererbung von evolutionär erworbenem Instinktverhalten hin, als auch C.G. Jungs (1875-1961) kollektives Unbewusstes mit seinen Archetypen.
Archetypen sind Urbilder, die über die Generationen hinweg weitervererbt werden und dem Menschen auf seinem Weg zur Ganzwerdung helfen sollen. Sie sind psychische Strukturdominanten, die als unbewusste Wirkfaktoren das Bewusstsein beeinflussen, dieses präfigurieren und strukturieren. Damit zeigen C.G. Jungs Archetypen eine gewisse Verwandtschaft mit Kants apriorischen Erkenntniskategorien.

Um dem Geheimnis menschlichen Erkennens auf die Spur zu kommen, liegt es nahe, das Denken - und im speziellen das Gehirn - mit den heute zur Verfügung stehenden wissenschaftlichen Methoden zu untersuchen. Dass Denken etwas mit dem Gehirn zu tun hat, ist für uns heute selbstverständlich, aber das war nicht immer so: Aristoteles (384-322 v. Chr.) war noch der Meinung, der Mensch denke mit dem Herzen und das Gehirn diene lediglich als Kühlorgan gegen körperliche Überhitzung.

Die Architektur des menschlichen Geistes

Lange Zeit glaubte man, dass das Gehirn ähnlich wie ein Computer arbeitet, denn beide nehmen Informationen auf, verarbeiten und speichern sie, und generieren einen Output. Damit sind zwar sowohl Gehirn als auch Computer Informationsverarbeitende Systeme, aber sie tun es auf völlig unterschiedliche Weise. Gehirn und Computer besitzen eine jeweils vollkommen unterschiedliche „Architektur“.

Statt eines einzigen komplexen, zentralen Prozessors besitzt das Gehirn vergleichsweise einfache Rechenelemente, aber diese in großer Zahl. Das menschliche Gehirn hat schätzungsweise mehrere 100 Milliarden Neuronen. Diese Rechenelemente des Gehirns sind über Nervenfasern mit bis zu 10 000 anderen Neuronen verbunden. Dadurch entsteht ein enorm komplexes neuronales Netzwerk mit einer „Kabellänge“ von 100 000 Kilometern. Und wie in einem richtigen Stromkabel fließen auch entlang der Nervenfasern Ströme, so genannte Aktionspotentiale.

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Ein Neuron (rechts oben) leitet den elektrischen Nervenimpuls über das Axon an ein zweites Neuron (links unten) weiter. In welcher Stärke der ursprüngliche Impuls an das empfangene Neuron weitergegeben wird, bestimmt die Synapse. Synapsen legen die Verbindungsstärke zwischen den Neuronen fest und sind für die Funktion eines Neuronalen Netzes von entscheidender Bedeutung.

Wie unterscheidet sich nun die Informationsverarbeitung in Computern von der in Neuronalen Netzen? Während ein Computerprogramm aus einer langen Anweisungskette besteht, die der Reihe nach abgearbeitet werden muss (serielle Verarbeitung), kommt ein Neuronales Netz völlig ohne Anweisungen aus. Stattdessen wiederholen alle Neuronen gleichzeitig (parallele Verarbeitung) immer wieder dieselbe einfache Grundoperation: Sie summieren die von anderen Neuronen eingehenden Nervenimpulse, und wenn die Summe einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, feuern sie selbst einen Impuls. Diese Parallelität macht Neuronale Netze sehr schnell. Während die lange Anweisungskette eines seriellen Programms einen Prozessor mit außerordentlicher Geschwindigkeit erfordert, kann das Neuronale Netz dank seiner parallelen Verarbeitung selbst mit langsamen Rechenelementen oft zu einem sehr viel schnelleren Ergebnis gelangen.

Deshalb versucht man heutzutage, die Funktionsweise eines Gehirns mit Hilfe künstlicher Neuronaler Netze nachzuahmen. Damit solch ein Neuronales Netz richtig funktioniert und die an es gestellten Aufgaben erfüllen kann, müssen die Verbindungsstärken zwischen den „Neuronen” optimal eingestellt sein. Dies geschieht, indem das Netzwerk trainiert wird. Anstatt Rechenvorschriften explizit formulieren zu müssen, genügt es, das erforderliche Wissen lediglich in Form einer ausreichend großen Anzahl von Lösungsbeispielen zu präsentieren. Ein künstliches Neuronales Netz wird also trainiert und nicht seriell programmiert.

Zur Fortsetzung Neuronale Netze 2

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© Copyright Peter Liendl und Gisela Klötzer