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Predictive Coding ist eine führende neurowissenschaftliche Theorie über die Funktionsweise des Gehirns. Kann sie für die KI nützlich sein?

Gegenwärtige KI-Systeme basieren auf tiefen neuronalen Netzen, die durch Backpropagation trainiert werden. Diese Methode hat jedoch einige Einschränkungen, wie beispielsweise Ineffizienz und mangelnde Robustheit, und es ist unwahrscheinlich, dass das Gehirn so funktioniert. Ein alternativer Ansatz, das sogenannte Predictive Coding könnte diese Einschränkungen überwinden.

Predictive Coding geht davon aus, dass das Gehirn über ein internes Modell der Welt verfügt. Bottom-up-Verbindungen übertragen Vorhersagen auf niedrigere Ebenen, während Top-down-Verbindungen Vorhersagefehler übertragen. Durch die Minimierung dieser Fehler innerhalb einer Hierarchie zieht das Gehirn Schlussfolgerungen und lernt.

Predictive Coding als ein Schema zur Minimierung der freien Energie

Ein neues Papier von Forschern aus mehreren Labors, hauptsächlich unter der Leitung des VERSES AI Research Lab, darunter der renommierte Neurowissenschaftler Karl Friston, bietet einen umfassenden Überblick über Predictive Coding, einschließlich der theoretischen Grundlagen, prominente Berechnungsansätze, verschiedene Anwendungen auf Probleme des maschinellen Lernens, Plausibilität in den Neurowissenschaften und Hardware-Überlegungen.

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Bild: Salvatori et al.

Sie sehen die Hauptvorteile des Predictive Coding in seiner Robustheit und seinem Potenzial für hochparallele und neuromorphe Implementierungen. Es stimmt auch mit dem Wissen über kortikale Struktur und Funktion überein und ist daher biologisch plausibel. Ihre Definition lautet: "Predictive Coding ist ein Schema zur Maximierung der Evidenz (oder Minimierung der freien Energie) für hierarchische generative Gauß-Modelle", in Anlehnung an Fristons Arbeit zum Prinzip der freien Energie.

Predictive Coding könnte sich zu einem leistungsstarken alternativen Paradigma in der KI entwickeln

Auch wenn Predictive Coding noch nicht die Bedeutung von Backpropagation-Methoden erreicht hat, sind die jüngsten Fortschritte vielversprechend für die Weiterentwicklung der künstlichen Intelligenz nach dem Vorbild des Gehirns, so die Forschenden. Predictive Coding hat sich bei Aufgaben wie dem diskriminativen Lernen, der Verarbeitung natürlicher Sprache, dem maschinellen Sehen, der zeitlichen Modellierung, dem lebenslangen Lernen und der Robotik als erfolgreich erwiesen, wobei einige Beispiele die Leistung der Backpropagation bei MNIST oder CIFAR10 erreichen.

Obwohl Potenzial sichtbar sei, ist das Gebiet noch weit von groß angelegten Anwendungen entfernt, die erhebliche Investitionen in die Forschung im Bereich bringen könnten, so das Team. Das Hauptziel des Papers ist es daher, Forschende zu ermutigen, auf den Ergebnissen früherer Forschungsarbeiten aufzubauen und sich auf die Herausforderungen des Predictive Coding zu konzentrieren.

"Es bedarf gemeinsamer Anstrengungen, um das Predictive Coding sowohl aus der Sicht der Software als auch aus der Sicht der Hardware voranzubringen, insbesondere um Berechnungsschemata zu entwickeln, die die sich bietenden Vorteile wie Parallelität und sparsame, lokale und potenziell energieeffiziente Berechnungen nutzen. Obwohl die Forschung auf dem Gebiet des Predictive Coding in den letzten Jahrzehnten kontinuierliche Fortschritte gemacht hat, beginnen wir vielleicht erst jetzt, die Vorteile zu erkennen, die das Reverse Engineering der Großhirnrinde und anderer biologischer Strukturen für die künstliche Intelligenz bietet".

Aus dem Papier.

Bei weiterer Forschung, so die These, könnte Predictive Coding ein leistungsfähiges alternatives Paradigma in der KI werden.

Über das Prinzip der freien Energie bzw. aktive Inferenz haben wir auch mit dem Biologen Franz Kuchling in unserem DEEP MINDS Podcast #11 gesprochen.

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Zusammenfassung
  • Das Predictive Coding wird aufgrund seiner Robustheit und neuromorphen Fähigkeiten als mögliche Alternative zur Backpropagation in der künstlichen Intelligenz (KI) erforscht.
  • Forschende, darunter der berühmte Neurowissenschaftler Karl Friston, haben einen umfassenden Überblick über Predictive Coding gegeben und seine Grundlagen, Anwendungen und potenziellen Vorteile für die Weiterentwicklung der vom Gehirn inspirierten KI erörtert.
  • Auch wenn Predictive Coding noch nicht die Größenordnung von Backpropagation-basierten Methoden erreicht hat, hat es sich als vielversprechend für Aufgaben wie die Verarbeitung natürlicher Sprache und maschineller Bilder erwiesen.
Quellen
Max ist leitender Redakteur bei THE DECODER. Als studierter Philosoph beschäftigt er sich mit dem Bewusstsein, KI und der Frage, ob Maschinen wirklich denken können oder nur so tun als ob.
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