Verbund

BRAINS - Gehirn-inspirierte Nutzung effizienter Shortcuts in der Künstlichen Intelligenz

Die Integration von Neurowissenschaften und Künstlicher Intelligenz (KI) bietet große Potentiale für Synergien und Innovationen. Die Prinzipien der Informationsverarbeitung des Gehirns und die biologischen Grundlagen kognitiver Prozesse, wie z. B. Lernen, Gedächtnis, Sprache oder Kreativität, können eine reichhaltige Inspirationsquelle für die Entwicklung innovativer und ressourceneffizienter KI-Systeme liefern. Gleichzeitig eröffnen die Methoden und Modelle der KI neue Möglichkeiten für die Erforschung der Funktionsprinzipien des Gehirns und das Verständnis kognitiver Fähigkeiten.

Das Verbundprojekt BRAINS will moderne KI-Modelle (Transformer-Netze) energieeffizienter und schneller machen. Hierbei orientiert sich das Projekt an der bemerkenswerten Effizienz des menschlichen Gehirns beim Gewohnheitsverhalten. Das Projekt will die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen besser verstehen und auf KI-Modelle übertragen. Inspiriert vom Gewohnheitslernen, sollen in künstlichen neuronalen Netzwerken Abkürzungen („Short-Cuts“) entwickelt werden, die wiederkehrende Aufgaben automatisch und mit weniger Rechenaufwand ausführen können. Das vom Gehirn inspirierte KI-Modell soll hinsichtlich Leistung und Energieverbrauch mit derzeit bestehenden KI-Verfahren sowie der kognitiven Flexibilität von Menschen verglichen werden.

Die Projektergebnisse legen Grundlagen für ein neuartiges rechen- und energieeffizientes KI‑System, das für das Erlernen von Automatisierung und Lösen komplexer Aufgaben in verschiedensten Anwendungsbereichen geeignet ist.

Teilprojekte

Entwicklung von KI-Architektur

Förderkennzeichen: 01GQ2507A
Gesamte Fördersumme: 331.602 EUR
Förderzeitraum: 2025 - 2028
Projektleitung: Prof. Dr. Fred Hamker
Adresse: Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Informatik, Professur Künstliche Intelligenz
Straße der Nationen 62
09111 Chemnitz

Entwicklung von KI-Architektur

In enger Zusammenarbeit zwischen der TU Chemnitz (TUC) und der Otto-von Guericke-Universität Magdeburg (OVGU) wird das Ziel verfolgt, eine Lösung für die Rechen- und Energieeffizienz in großen modularen neuronalen Transformer-Netzen zu finden, inspiriert von der bemerkenswerten Fähigkeit des Gehirns zum Erlernen von Gewohnheiten. Obwohl die zugrunde liegenden Mechanismen der Gewohnheitsbildung und -ausführung nach wie vor umstritten sind, wird vorgeschlagen, dass gewohnheitsmäßige Handlungen durch trainierte Abkürzungsverbindungen (Shortcuts) zwischen Kortex und Basalganglienschleifen entstehen, die Handlungen automatisieren und den Rechenaufwand verringern. Zum Nachweis dieser Hypothese setzt man auf einen innovativen, modellbasierten Ansatz zur Re-Analyse vorhandener Gehirnscans. Diese Arbeit wird von der OVGU geleitet und stützt sich auf das umfassende neuroinformatische Modellierungswissen der TUC. Die gemeinsame Arbeit wird beim Entwurf und der Implementierung von Shortcut-ähnlichen Konzepten in neuronalen Transformer-Netzen als Teil eines NeuroAI-Modells des Verstärkungslernens leiten, das von der TUC entwickelt wird. Es wird davon ausgegangen, dass diese Shortcut-ähnlichen Konzepte die Bearbeitung routinierter Aufgaben mit deutlich geringerem Rechenaufwand ermöglichen und dadurch den Energieverbrauch erheblich senken, ohne die Flexibilität einzuschränken. Das entwickelte Transformer-basierte NeuroAI-Modell wird hinsichtlich Leistung und Energieverbrauch anhand etablierter ML-Benchmarks getestet und mit der kognitiven Flexibilität von Menschen verglichen, die eine Navigationsaufgabe in der virtuellen Realität durchführen. Zusammenfassend überträgt die enge Zusammenarbeit Konzepte aus der Neurowissenschaft der Gewohnheiten auf das Design neuartiger modularer NeuroAI-Modelle.

Validierung der Hypothese zum Gewohnheitslernen

Förderkennzeichen: 01GQ2507B
Gesamte Fördersumme: 331.581 EUR
Förderzeitraum: 2025 - 2028
Projektleitung: Prof. Dr. Markus Ullsperger
Adresse: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Psychologie II, Abteilung Neuropsychologie
Universitätsplatz 2, Gebäude 24
39106 Magdeburg

Validierung der Hypothese zum Gewohnheitslernen

In enger Zusammenarbeit zwischen der TU Chemnitz (TUC) und der Otto-von Guericke-Universität Magdeburg (OVGU) wird das Ziel verfolgt, eine Lösung für die Rechen- und Energieeffizienz in großen modularen neuronalen Transformer-Netzen zu finden, inspiriert von der bemerkenswerten Fähigkeit des Gehirns zum Erlernen von Gewohnheiten. Obwohl die zugrunde liegenden Mechanismen der Gewohnheitsbildung und -ausführung nach wie vor umstritten sind, wird vorgeschlagen, dass gewohnheitsmäßige Handlungen durch trainierte Abkürzungsverbindungen (Shortcuts) zwischen Kortex und Basalganglienschleifen entstehen, die Handlungen automatisieren und den Rechenaufwand verringern. Zum Nachweis dieser Hypothese setzt man auf einen innovativen, modellbasierten Ansatz zur Re-Analyse vorhandener Gehirnscans. Diese Arbeit wird von der OVGU geleitet und stützt sich auf das umfassende neuroinformatische Modellierungswissen der TUC. Die gemeinsame Arbeit wird beim Entwurf und der Implementierung von Shortcut-ähnlichen Konzepten in neuronalen Transformer-Netzen als Teil eines NeuroAI-Modells des Verstärkungslernens leiten, das von der TUC entwickelt wird. Es wird davon ausgegangen, dass diese Shortcut-ähnlichen Konzepte die Bearbeitung routinierter Aufgaben mit deutlich geringerem Rechenaufwand ermöglichen und dadurch den Energieverbrauch erheblich senken, ohne die Flexibilität einzuschränken. Das entwickelte Transformer-basierte NeuroAI-Modell wird hinsichtlich Leistung und Energieverbrauch anhand etablierter ML-Benchmarks getestet und mit der kognitiven Flexibilität von Menschen verglichen, die eine Navigationsaufgabe in der virtuellen Realität durchführen. Zusammenfassend überträgt die enge Zusammenarbeit Konzepte aus der Neurowissenschaft der Gewohnheiten auf das Design neuartiger modularer NeuroAI-Modelle.