Ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Dr. Ilka Diester, Professorin für Optophysiologie und Sprecherin des BrainLinks-BrainTools-Forschungszentrums an der Universität Freiburg, hat eine formale Beschreibung innerer Weltmodelle entwickelt und diese in der renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Neuron veröffentlicht. Dieser formalisierte Ansatz ermöglicht es Wissenschaftlern, die Entwicklung und Funktion innerer Weltmodelle genauer zu verstehen. Neben der systematischen Vergleichbarkeit von Weltmodellen bei Menschen, Tieren und künstlicher Intelligenz (KI) offenbart er auch Bereiche, in denen die KI noch hinter der menschlichen Intelligenz zurückbleibt, und bietet Leitlinien für die Weiterentwicklung von KI-Systemen. An der Erstellung dieser interdisziplinären Publikation waren elf Forscher aus vier verschiedenen Fakultäten der Universität Freiburg beteiligt.

Innere Weltmodelle und erfahrungsbasierte Vorhersagen
Menschen und Tiere haben die Fähigkeit, allgemeine Gesetzmäßigkeiten aus alltäglichen Erfahrungen abzuleiten, was ihnen hilft, sich in neuen und unbekannten Situationen zurechtzufinden. Sie entwickeln innere Weltmodelle, die es ihnen ermöglichen, Verhalten an neue Umstände anzupassen und vorherzusagen. Zum Beispiel kann das Verständnis der Struktur von ähnlich konfigurierten Städten die Orientierung in einer unbekannten Stadt erleichtern. Ebenso ermöglichen es die Erfahrungen, die bei gesellschaftlichen Ereignissen wie einem Abendessen im Restaurant gesammelt wurden, sich in ähnlichen Situationen angemessen zu verhalten.

Formalisation innerer Weltmodelle
Um innere Weltmodelle bei verschiedenen Arten zu formalisieren, unterscheiden die Forscher in ihrer Publikation drei abstrakte Räume, die miteinander verbunden sind: Aufgabenraum, neuronaler Raum und konzeptioneller Raum. Der Aufgabenraum umfasst alles, was eine Person erlebt, einschließlich Aufgaben und Aktivitäten. Der neuronale Raum beschreibt verschiedene messbare Zustände des Gehirns, von der molekularen Ebene bis hin zur Aktivität einzelner Neuronen und ganzer Gehirnregionen. Die Visualisierung dieser Aktivitäten kann durch funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) oder Messungen über hochdichte Elektroden und Kalziumbildgebung erreicht werden. Das Äquivalent des neuronalen Raums in der künstlichen Intelligenz stellt die Aktivität von Knoten innerhalb eines künstlichen neuronalen Netzwerks dar. Der konzeptionelle Raum besteht aus Paaren von Zuständen des Aufgabenraums und des neuronalen Raums, die zusammen den Zustand des Individuums darstellen und innere Prozesse mit äußeren Einflüssen verbinden. Diese Paare ändern sich ständig und gehen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit in den nächsten Zustand über. Die Kombination aus individuellen Erfahrungen und entsprechender Gehirnaktivität, zusammen mit dynamischen Übergängen, macht innere Weltmodelle wissenschaftlich greifbar.

Verbesserung der künstlichen Intelligenz und Verständnis von psychischen Erkrankungen
Der formalisierte Ansatz zu inneren Weltmodellen ermöglicht es Wissenschaftlern, diese Modelle über verschiedene wissenschaftliche Disziplinen hinweg zu analysieren und deren Entstehung und Entwicklung zu diskutieren. Forschungsergebnisse an Menschen und Tieren könnten nützlich sein, um künstliche Intelligenz zu verbessern. Aktuelle KI-Systeme sind zum Beispiel noch nicht in der Lage, die Glaubwürdigkeit ihrer Vorhersagen zu überprüfen. Große Sprachmodelle wie ChatGPT funktionieren als Mustererkennungsmaschinen ohne die Fähigkeit zur tatsächlichen Planung. Planung ist jedoch entscheidend, um Strategien in unbekannten Situationen zu testen und zu korrigieren, bevor sie angewendet werden, um potenziell schädliche Folgen zu vermeiden. Wissenschaftler vermuten auch, dass Defizite in inneren Weltmodellen mit einigen psychischen Erkrankungen wie Depression oder Schizophrenie in Verbindung stehen könnten. Ein tieferes Verständnis dieser Modelle könnte dazu beitragen, Medikamente und Therapien zur Behandlung dieser Störungen präziser einzusetzen.

Die Erforschung innerer Weltmodelle stellt einen bedeutenden Schritt nach vorne im Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen Gehirn und Umwelt dar. Mit neuen formalen Ansätzen können Wissenschaftler im Detail untersuchen, wie Individuen Informationen aus Erfahrungen abstrahieren und sie zur Anpassung an neue Situationen nutzen. Dies hat weitreichende Implikationen nicht nur für die Entwicklung fortschrittlicherer KI-Systeme, sondern auch für die Verbesserung der Behandlung von psychischen Störungen. Die genaue Definition und Messung dieser inneren Modelle ermöglicht einen besseren Einblick in die Art und Weise, wie das Gehirn Informationen verarbeitet und Entscheidungen trifft.

Die Anwendung dieser Forschung lässt sich in verschiedenen Bereichen erkennen, von der Entwicklung autonomer Fahrzeuge, die in Echtzeit Entscheidungen treffen müssen, bis hin zu hochentwickelten medizinischen Diagnosewerkzeugen, die komplexe Gesundheitsprobleme identifizieren und Behandlungsvorschläge machen können. Das Verständnis innerer Weltmodelle ist auch für den Fortschritt in der Robotik entscheidend, wo Roboter die Fähigkeit entwickeln müssen, sich anzupassen und aus der Interaktion mit Menschen und der Umgebung zu lernen.

In Zukunft könnten weitere Forschungen in diesem Bereich zu revolutionären Veränderungen in der Art und Weise führen, wie wir Technologie entwickeln und Krankheiten behandeln. Formale Weltmodelle bieten Wissenschaftlern ein Werkzeug zur detaillierten Untersuchung komplexer Systeme und eröffnen neue Möglichkeiten für interdisziplinäre Zusammenarbeit und Innovation. Dieser Fortschritt ermöglicht es uns, nicht nur künstliche Intelligenz besser zu verstehen, sondern auch wesentliche Aspekte der menschlichen Kognition und des Verhaltens.

Ein Team von Wissenschaftlern aus Freiburg hat gezeigt, wie interdisziplinäre Zusammenarbeit zu bedeutenden Entdeckungen führen kann, die das Potenzial haben, verschiedene Aspekte der Wissenschaft und Technologie zu transformieren. Ihre Forschung zu inneren Weltmodellen legt den Grundstein für zukünftige Studien, die weiterhin die komplexen Wechselwirkungen zwischen Gehirn, Verhalten und Umwelt untersuchen werden. Durch solche Bemühungen nähert sich die Wissenschaft dem Verständnis, wie intelligente Systeme entwickelt werden können, die der Menschheit besser dienen.

Quelle: Universität Freiburg