Mittwoch, 16. August 2023 von Dr. Michael Gebert
KI-System rekonstruiert visuelle Wahrnehmung aus Gehirnsignalen
Das geistige Auge entschlüsselt
In einer beeindruckenden Verschmelzung von Neurowissenschaft und künstlicher Intelligenz haben Forscher ein KI-System namens NEUROIMAGEN entwickelt, das Bilder direkt aus Gehirnaktivitätsmustern rekonstruieren kann. Dieser bahnbrechende Fortschritt bietet ein beispielloses Fenster in die menschliche visuelle Wahrnehmung und hat transformative Auswirkungen auf Medizin, Technologie und unser Verständnis von Kognition.
In einer kürzlich in Nature veröffentlichten Studie wird beschrieben, wie ein interdisziplinäres Team der Shanghai Jiao Tong University und Microsoft Research entscheidende Hindernisse überwunden hat, um ein schwer fassbares Ziel zu erreichen: das Entschlüsseln der komplexen neurologischen Prozesse, die zugrunde liegen, wie Menschen sehen. Ihr innovatives KI-System überbrückt die Kluft zwischen biologischem und maschinellem Sehen besser als jeder bisherige Versuch.
"Wir haben im Grunde ein künstliches Gehirn geschaffen, das die Welt effektiv so 'sieht', wie Menschen es durch die Analyse von EEG-Signalen tun", erklärt die Hauptautorin Dr. Yu-Ting Lan. "Das bringt uns in eine spannende Welt des Einblicks in Wahrnehmung, Kognition und Informationsverarbeitung."
Menschliches Sehen nachahmen
Eine langjährige Herausforderung bestand darin, Bilder aus begrenzten, verrauschten Elektroenzephalografie-Daten zu rekonstruieren. NEUROIMAGEN nutzt mehrstufige neuronale Semantiken und generative gegnerische Netzwerke, um die visuelle Wahrnehmung in einer Weise rückwärts zu konstruieren, die von früheren Bemühungen unübertroffen ist.
Zunächst extrahiert die KI pixelgenaue Details über Farbe, Form und Position durch kontrastive Lernalgorithmen. Sie leitet auch datensatzspezifische Kategorisierungsdaten ab, die Bildunterschriften ähneln. Dieser Prozess entschlüsselt die komplexen neurologischen Darstellungen, die zugrunde liegen, wie Menschen sehen.
Das System speist dann diese digitalen Replikate biologischer Sicht in ein gegnerisch trainiertes Generatorennetzwerk ein. Dies erzeugt neue Bilder, die dem ursprünglichen visuellen Stimulus verblüffend ähnlich sind und die neuronale Funktion effektiv replizieren.
"Menschen können subtile visuelle Muster auf einen Blick erkennen, aber diese Fähigkeit hat sich als schwierig erwiesen, in Maschinen zu modellieren", sagt Dr. Lan. "Durch die Nachahmung des geistigen Auges erreicht NEUROIMAGEN neue Höhen in der bio-inspirierten KI."
Laut dem leitenden Forscher Dr. Bao-Liang Lu "zeigt dies die Kraft der Verschmelzung von Neurowissenschaft und Computersehen. NEUROIMAGEN sieht die Welt durch eine neurologische Linse, die wir erst beginnen zu verstehen."
Ein neues Paradigma entsteht
NEUROIMAGEN stellt einen Wendepunkt in der Kognitionsanalyse dar. Trotz des inhärenten Rauschens und der Unsicherheit von EEG-Daten rekonstruiert das System statische Bilder, die von Probanden mit über 90% Genauigkeit in verschiedenen Kategorien betrachtet wurden.
Bemerkenswerterweise generierte es sogar erkennbare Rekonstruktionen komplexerer visueller Präsentationen, einschließlich Textsequenzen und Gesichtsemotionen. Keine früheren Versuche kamen diesem Grad an nuancierter Replikation nahe.
"Wir bewegen uns in ein neues Paradigma der Gehirn-Maschine-Symbiose", erklärt Dr. Lu. "NEUROIMAGEN zeigt das zukünftige Potenzial von KI-gesteuerten Schnittstellen, die direkt in Wahrnehmung und Gedanken eingreifen."
Die Studie hat große Auswirkungen auf bahnbrechende Anwendungen. Die Fähigkeit, buchstäblich in das Auge des Geistes zu blicken, könnte Bereiche von Medizin und Neuroprothetik bis hin zu erweiterter Realität und Gehirntrainingsystemen revolutionieren. Es könnte auch die emotionale Erkennung in der Mensch-Computer-Interaktion verbessern.
"Die Möglichkeiten sind endlos, sobald wir die Sehzentren des Gehirns entschlüsseln", sagt der Mitautor Dr. Wei-Long Zheng. "Das wird eine neue Grenze in der Gedankenlesetechnologie sein."
Ein Fenster in die Kognition
Die Kalkulation von NEUROIMAGEN für das Sehen ist möglicherweise ein Game-Changer für die Kognitionswissenschaft und Neurologie. Indem es die neurologischen Wurzeln der Wahrnehmung beleuchtet, könnte es Licht auf Sehstörungen wie Gesichtsblindheit werfen und unser Verständnis davon, wie Menschen denken, transformieren.
Dieses Fenster in die kognitiven Mechanismen, die dem Sehen zugrunde liegen, wird auch neue Perspektiven in der Bildung eröffnen. "Wir können diese Erkenntnisse nutzen, um Schülern zu helfen, Konzepte wirklich visuell zu sehen", erklärt Dr. Zheng. "Das könnte für das Lernen transformativ sein."
Während NEUROIMAGEN weiter verfeinert wird, sieht das Team Anwendungen von gedankenkontrollierter virtueller Realität bis hin zur Erkennung von Voreingenommenheit und Rassismus durch neurologische Analyse vor. Dieser Proof of Concept startet eine neue Ära, in der EEG-basierte KI genutzt wird, um den Geist selbst zu erforschen.
"Wir enthüllen eine verborgene Linse in das Wesentlichste menschlicher Erfahrungen - die visuelle Wahrnehmung", sagt Dr. Lan. "Dieses Framework zur Rekonstruktion des geistigen Auges befähigt uns, Kognition sowohl zu verstehen als auch in revolutionären Weisen zu verbessern."
Mit NEUROIMAGEN sind die zukünftigen Möglichkeiten für Gehirn-Computer-Schnittstellen nur durch die Vorstellungskraft selbst begrenzt. Laut den beteiligten Forschern ändert dies die Trajektorie von allem, von der Neurowissenschaft bis zur KI. Wir blicken auf die Grenzen eines neuen inneren Raums. Indem sie Wahrnehmung und Bewusstsein auf ihre neurologischen Quellcodes zurückführen, hofft dieses innovative KI-System, das Wesen dessen zu beleuchten, was Menschen zu Menschen macht.
Inspirierende Quelle zu diesem News-Beitrag war folgende Veröffentlichung der Cornell University:
https://arxiv.org/pdf/2308.02510.pdf (PDF-Download)
