Denken ohne ein energiefressendes Gehirn

Bild: Gail Wight/CC-BY-SA-2.0

Der Schleimpilz Physarum polycephalum kann komplexe Entscheidungen treffen, was interessant für die Forschung über Künstliche Intelligenz sein könnte

Das Wissen wächst, dass auch Organismen, die keine Nervenzellen und schon gar kein Gehirn besitzen, dennoch komplexe Entscheidungen treffen können. Nicht nur Pflanzen, auch Protisten, Pilze und Bakterien sind dazu in der Lage, was man lange nur bei größeren Organismen mit Gehirnen für möglich gehalten hatte. Intelligentes Verhalten bedarf wohl nicht immer einer Steuerung durch Neuronen oder gar eines zentralen Gehirns, sondern kann auch durch selbstorganisierte Prozesse in oder zwischen einfachen Organismen zustande kommen. Das müsste Konsequenzen auf die Forschung zur Künstlichen Intelligenz oder zur intelligenten Steuerung von Systemen wie Smart Cities haben.

Bekannt wurde etwa der Schleimpilz Physarum polycephalum (wörtlich übersetzt: der vielköpfige Schleim), der keine Neuronen besitzt, aber als Zellenkollektiv in einem Labyrinth den kürzesten Weg zwischen zwei Punkten finden können soll. Überdies soll er Optimierungsprobleme lösen, die kürzesten Netzwerke finden, wiederkehrende Ereignisse antizipieren und seine Schleimspur als externes Gedächtnis verwenden können, um nicht an Orte zu gehen, die er bereits besucht hat. Und er soll ähnliche Entscheidungsfindungen wie in Gehirnen treffen können, aber auch zu irrrationalen ökonomischen Entscheidungen wie Menschen, Stare oder Honigbienen tendieren und bei schwierigen Problemen abwägen zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit.

Britische, australische und amerikanische Wissenschaftler haben deswegen mit dem Schleimpilz Physarum polycephalum in der Plasmodium-Phase der vielkernigen mobilen Zelle Versuche angestellt, um dessen Informationsverarbeitungsfähigkeiten genauer analysieren und vor allem mit denen anderer Organismen vergleichen zu können. Darüber berichten sie im Journal Of The Royal Society Interface. Für ihre Experimente verwendeten sie das Problem des Zweiarmigen Banditen, das bislang nur Organismen mit Gehirnen zur Lösung gestellt wurde. Der Schleimpilz wird vor die Wahl gesetzt, sich zwischen zwei nach Menge und Art der angebotenen Nährstoffe unterschiedlichen Umgebungen (das sind die "Arme") zu entscheiden. Mit seinen Pseudopodien (Scheinfüßchen oder Plasmaausstülpungen) kann der Schleimpilz beide Nahrungsquellen auch gleichzeitig erkunden. Sollte er zu einer Entscheidung fähig sein, sollte er sich mehr und mehr zu dem nährreicheren Arm bewegen. Zur Kontrolle wurden auch Experimente mit zwei identischen "Armen" durchgeführt.

Für ihre Versuche bauten die Wissenschaftler zwei 31 mm lange "Arme", die jeweils in 31 Boxen von 1 mm Größe unterteilt waren. Zwischen den Armen befindet sich ein 6 mm großer Block mit reinem Agar als Startpunkt. Die Boxen werden entweder mit reinem Agar gefüllt, der nicht belohnend wirkt, oder mit Hafer-Agar, den die Schleimpilze schätzen. Jeweils die erste Box auf beiden Seiten wird mit Hafer-Agar gefüllt, um Erkunden ohne merkbare Unterschiede zu fördern. Während der eine Arm (High Quality) aber insgesamt unterschiedlich verteilte 8 Boxen mit Hafer-Agar enthält, werden auf dem Low-Quality-Arm nur vier solche Boxen verteilt.

In die Mitte wurde schließlich mit 0,005 g immer dieselbe Plasmodium-Masse gesetzt, was ausreicht, um im Laufe des Experiments die gesamten Arme zu erkunden. Innerhalb von Minuten bildete sich aus den Zellfragmenten eine Zelle durch Zusammenwachsen. Die Experimente wurden nach 48 Stunden abgebrochen, damit Bewegungen nicht durch Wachstum, sondern ausschließlich durch Erkunden zustande kamen. Der Arm, an dem der Schleimpilz bis zur letzten Box kam, galt als der erwählte, für den sich der Organismus entschieden hat.

Bei einer Gleichverteilung der Belohnungsboxen, so das Ergebnis, wurden beide Arme gleichermaßen erkundet. Wenn ein Arm mehr als der andere enthielt, wurde nach einer kurzen Erkundungsphase dieser präferiert, woraus die Wissenschaftler schließen, dass die Entscheidung aufgrund der Information erfolgte. Die Entscheidung erfolgte deutlicher höher als einer Zufallswahl. Zudem würde der Schleimpilz aufgrund seiner Masse auch weiterhin beide Arme erkunden können, das ergab aber nur in 5 Prozent der Zeitabläufe in allen Experimenten. Je mehr mit Hafer-Agar gefüllte Boxen in einem Arm im Verhältnis zum anderen waren, desto deutlich fiel die Entscheidung aus.

Die Wissenschaftler weisen darauf hin, dass Menschen bei vielarmigen Banditen dazu neigen, sich nicht optimal zu entscheiden. Sie gehen davon aus, dass die Belohnung der Arme mit der Zeit schwankt. Daher schwanken sie zwischen Erkundung und Ausbeutung und gehen nur selten zum High-Quality-Arm. Das machen allerdings Tiere wie Tauben oder Fische ebenfalls wie der Schleimpilz. Während ansonsten Menschen und Tiere durch Wiederholung lernen, wurde das Verhalten der Schleimpilze nur einmal getestet, es konnte also keinen Lerneffekt geben. Daher ist das Entscheidungsverhalten für die Wissenschaftler ein Effekt der Evolution, nicht des Individuums. Sie schließen aber keineswegs aus, dass auch Schleimpilze lernen können, da diese das schon durch die Vorhersage wiederkehrender Ereignisse gezeigt haben.

Wie Schleimpilze entscheiden, falls dies dadurch gezeigt worden ist, bleibt aber noch unklar. Bei Gehirnen geht man davon aus, dass Neuronen als Netzwerk miteinander interagieren und konkurrieren, bis durch das Feuern der Neuronen eine Schwelle für eine Lösung überschritten wird.

Man könne sich vorstellen, so die Wissenschaftler, dass eine ähnliche Funktion das sensomotorische System des Schleimpilzes ausüben könnte, das aus vielen oszillierenden Teileinheiten besteht, die in Interaktion mit der Umwelt und den anderen Einheiten unterschiedlich schnell oszillieren. Trifft eine solche Einheit etwa auf Nahrung, was durch die Membran erkannt wird, oszilliert sie schneller, stimuliert ihre Nachbarn, dasselbe zu machen, und kann so das Zytoplasma im Inneren des Schleimpilzes dazu bringen, diesen dahin bewegen zu lassen. Das Oszillationsmuster beeinflusst die Größe der Transportröhrchen und kontrolliert so den Fluss des Protoplasmas in der Zelle. Umgekehrt verläuft dieser kollektive, auf Untereinheiten verteilte Prozess, wenn der Schleimpilz auf etwas Abstoßendes stößt. Das könnte einen Entscheidungsprozess analog zu den Nervenzellen des menschlichen Gehirns darstellen, aber auch zu dem etwa einer Insektenkolonie mit ihrem kollektiven Gehirn.

Die Möglichkeit des Schleimpilzes, komplexe Entscheidungen zu treffen, lege nahe, so die Wissenschaftler, dass viele "niedere" Organismen ohne Nervensystem Kognitionsaufgaben lösen können. Bislang ging man davon aus, dass Organismen ohne Nervensystem auf äußere Reize ohne internes Feedback zwischen dem Reizrezeptor und der Motorik reagieren. Es könne aber nach neueren Modellen viele sensomotorische Alternativsysteme geben. Beim Schleimpilz könnte so die Information durch die Zelle über die oszillierende Membrane übertragen werden, wobei die Oszillatoren das innere Feedback untereinander leisten und sich wechselseitig beeinflussen. (Florian Rötzer)

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