Gehirn, Computer, Komplexität

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1 Gehirn, Computer, Komplexität

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3 Klaus Mainzer Gehirn,Computer, Komplexität Mit 73 Abbildungen i Springer

4 Professor Dr. Klaus Mainzer Universität Augsburg Lehrstuhl für Philosophie und Wissenschaftstheorie Universitätsstraße Augsburg ISBN -13: Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork Die Deutsche Bibliothek - Cip-Einheitsaufnahme Mainzer, Klaus: Gehirn. Computer, Komplexität 1 Klaus Mainzer. - Berlin ; Heidelberg ; New York ; Barcelona; Budapest ; Hongkong ; London ; Mailand ; Paris; Santa Clara; Singapur ; Tokio: Springer, 1997 ISBN-13: e-isbn-13: DOI: / Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen. der Funksendung, der Mikroverfllmung oder VervielfaItigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, VOllständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Lewis & Leins GmbH, Berlin SPIN: / Gedruckt auf säurefreiem Papier

5 Vorwort Vorwort Das Buch Gehirn und Computer erscheint 40 Jahre nach John von Neumanns Klassiker The Computer and the Brain. Der große Mathematiker und Computerpionier hatte dieses Werk bei seinem Tod am 8. Februar 1957 als unvollendetes Manuskript und wissenschaftliches Vermächtnis hinterlassen. Die Forschungen zum Thema "Computer" und "Gehirn" haben in den letzten 40 Jahren einen beispiellosen Aufschwung genommen. Viele Ansichten von Neumanns wurden technisch realisiert, einige liefern heute noch Forschungsimpulse, andere waren zeitbedingt. Im letzten Jahrzehnt unseres Jahrhunderts scheint das Gehirn selber zum Vorbild neuartiger lernfähiger und sich selbstorganisierender Systeme zu werden, die nur noch bedingt Gemeinsamkeiten mit programmierbaren Rechenmaschinen haben: Daher der Stellungstausch von Gehirn und Computer im Titel. Diese Untersuchung erscheint im Rahmen der Reihe "Springer Sachbuch". Abbildungen, Diagramme und Marginalien am Textrand sollen zur Anschaulichkeit beitragen. Mit * bezeichnete Abschnitte behandeln anspruchsvollere Themen (in einer allerdings nicht-technischen Sprache), die bei einer ersten Lektüre übersprungen werden können. Neben der fachlichen und fachübergreifenden Darstellung der beteiligten Forschungsgebiete sind auch Bewertungen und Einschätzungen von Forschungstrends erforderlich. Moderne Spitzentechnologie steht heute nämlich im Spannungsfeld von Technikakzeptanz und Öffentlichkeit. Dieser Band schließt an mein Buch Thinking in Complexity. The Complex Dynamics 01 Matter, Mind, and Mankind (1994) an, das 1997 in 3. Auflage, chinesischer und japanischer Übersetzung im Springer-Verlag erscheint, ohne es allerdings vorauszusetzen. Für vertiefende mathematische und philosophische Analysen sei auf mein Buch Computer - Neue Flügel des Geistes? (21995) verwiesen. In diesen Büchern finden sich auch ausführliche Hinweise auf weiterführende Literatur, die sich in v

6 Vorwort dieser Buchreihe auf Schwerpunkte der Neurobiologie und Informatik (insbesondere Neuroinformatik) beschränken. Als Autor fühle ich mich den Zielsetzungen der Deutschen Gesellschaft für Komplexe Systeme und Nichtlineare Dynamik verbunden (vgl. Einführung). Für Unterstützungen, Anregungen und Kooperationen danke ich der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina, der Abteilung Biowissenschaften und Informationstechnik im Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF), dem Graduiertenkolleg KOGNET (Lehrstühle für Neurobiologie und Neuroinformatik, Universität Bochum), den Kollegen Rolf Eckmiller (Lehrstuhl für Neuroinformatik, Universität Bonn) und Hermann Haken (Institut für Theoretische Physik und Synergetik, Universität Stuttgart). Ilse Wittig und Hermann Engesser (Springer Verlag) danke ich für die bewährte Lektoratsbetreuung und die Anregung, die zur Abfassung des Buches führte. Für die Herstellung des Manuskripts danke ich meiner Sekretärin Jutta Janßen und meinen MitarbeiterInnen Kat ja E. Hüther, M.A., Martin Kraus und Thomas Frömrich. Klaus Mainzer VI

7 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Vorwort V 1 Einführung Teil I Komplexität und Dynamik des Gehirns. 7 2 Evolution des Gehirns Komplexität des Gehirns Neuronen Synapsen , 20 Nervensystem Dynamik des Gehirns Wahrnehmung Bewegung Emotion Kognition Bewußtsein Teil 11 Computer und Künstliche Intelligenz Geschichte des Computers Komplexität des Computers Berechenbarkeit und Entscheidbarkeit Nicht-Berechenbarkeit und Unvollständigkeit* 84 Klassische Maschinen und Quantencomputer* Künstliche Intelligenz (KI) KI-Programmiersprachen Wissensbasierte Systeme Problemläsungsstrategien VII

8 Teil III Komplexität und Dynamik neuronaler Netze Evolution der Natur Nichtlinearität und Chaos Selbstorganisation und Ordnung Evolution und Simulation Komplexität neuronaler Netze Lernende Automaten und Kybernetik Technische Neuronen und Synapsen Lernalgorithmen und Netzwerktopologien Dynamik neuronaler Netze Wahrnehmung Bewegung Kognition Medizinische Anwendungen Neuroprothesen Krankheiten Teil IV Grenzfragen und Zukunft von Gehirn und Computer Grenzfragen: Vom "Künstlichen Leben" zum "Künstlichen Bewußtsein"? Zukunft: Computernetz und Menschenrecht Literaturverzeichnis Abbildungsnachweis Sachverzeichnis Personenverzeichnis VIII