30.01.2014
von Dr. Christian Wolf | Klett MINT | #mintmagazin

Gehirn im Computer

Bescheidenheit ist nicht unbedingt Sache des Human Brain Project. Die beteiligten Forscher haben sich nicht weniger vorgenommen, als das gesamte menschliche Gehirn in einem Supercomputer zu simulieren. Seit Anfang des Jahres ist das ambitionierte Ziel zumindest in finanzieller Hinsicht in greifbare Nähe gerückt. Die EU fördert das Projekt mit 1,2 Milliarden Euro. Und das Geld können die Forscher gut gebrauchen. Denn die Kosten für das von 2013 bis 2023 laufende Vorhaben belaufen sich auf geschätzte 1,19 Milliarden. Beteiligt haben sich über 80 europäische und internationale Forschungseinrichtungen. Neurowissenschaftler, Physiker, Informatiker und Experten aus vielen anderen Bereichen bündeln ihre unterschiedlichen Kenntnisse, um der menschlichen Denkzentrale endlich seine Geheimnisse zu entlocken.

Die weit verteilten Fäden laufen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) in der Schweiz zusammen, bei dem Neurowissenschaftler Prof. Henry Markram. Er ist nicht nur der Koordinator, sondern auch der Visionär des gigantischen Vorhabens. „Es ist als baute man ein riesiges Teleskop, um in die Tiefen des Weltalls zu spähen“, beschreibt Markram seine große Idee. „Nur dass wir in der Lage sein werden, tief in das Gehirn zu schauen.“ Auf diese Weise könne man Antworten auf Fragen erhalten, die experimentell nicht zu beantworten sind. So lassen sich etwa die zellulären Abläufe im menschlichen Gehirn kaum im Experiment detailliert untersuchen. Schließlich kann man nicht einfach alle Nervenzellen mit Sensoren bestücken. Und Hirnscans geben nur einen sehr groben Einblick in die graue Masse.  

Riesige Datenberge

Markram und seine Kollegen wollen die bisherigen Erkenntnisse der Neurowissenschaften zusammentragen, daraus Computermodelle ableiten und damit das Arbeiten des Gehirns simulieren. Alle Ebenen der Denkzentrale möchten sie dabei berücksichtigen, von der einzelnen Nervenzelle bis zum Kortex. Die Herausforderungen sind groß: Neurowissenschaftler haben in den letzten Jahrzehnten riesige Berge an Wissen und Daten angehäuft. Sie haben sich beispielsweise mit Hilfe von bildgebenden Verfahren wie der funktionellen Magnetresonanztomografie angeschaut, welche Hirnregionen aktiv sind, wenn man etwas sieht oder eine Bewegung ausführt. Und sie haben auf molekularer Ebene untersucht, wie Botenstoffe auf Nervenzellen wirken. Jedes Jahr kommen etwa 60.000 wissenschaftliche Veröffentlichungen hinzu. Das Human Brain Project muss aus diesem Datenberg die geeigneten Ergebnisse auswählen und vereinheitlichen, damit die mit unterschiedlichen Methoden gewonnenen Resultate vergleichbar sind.

Gigantische Rechenpower nötig

Eine der größten Herausforderungen ist die benötigte Rechenpower. Um heute auch nur eine einzige Nervenzelle simulieren zu können, braucht man die gesamte Rechenleistung eines Laptops. Das menschliche Gehirn besteht aber aus rund 86 Milliarden Nervenzellen. Um das Problem zumindest ein wenig abzuschwächen, will das Human Brain Project auf einen Trick zurückgreifen: Man versucht neue Techniken der mehrschichtigen Simulation zu entwickeln und lediglich die Neurone im Detail nachzuahmen, die besonders aktiv sind. Dennoch wird man einen Supercomputer benötigen, der 1.000 Mal leistungsfähiger ist als der heutzutage leistungsfähigste Rechner.

Erschwerend kommt hinzu: Die für die Simulation benötigten Rechner sind riesige Energiefresser. Ein Supercomputer, wie er beispielsweise im Forschungszentrum Jülich steht, benötigt mehrere Megawatt (1 MW = 1 Million Watt) elektrischer Leistung. Um das Gehirn vollständig mit herkömmlicher Computertechnologie bis auf der Ebene der Zellen simulieren zu können, brauchte man vermutlich sogar Gigawatt – also noch tausend Mal soviel.

Da ein solches Vorgehen nicht realistisch ist, möchte sich die Computer- und Informationstechnologie vom menschlichen Gehirn inspirieren lassen. Unser Gehirn ist vorbildlich was den Energieverbrauch angeht – es benötigt nicht mehr Energie als eine Glühbirne, nur rund 30 Watt. Außerdem ist es lernfähig und äußerst flexibel. Wenn man ein neues Problem mit einem Computer lösen will, benötigt man neue Software, sagt der Physiker Prof. Karlheinz Meier von der Uni Heidelberg, einer der Ko-Direktoren des Forschungsverbundes. Das Gehirn hingegen braucht keine neue Software. Menschen können lernen mit komplett unterschiedlichen Situationen umzugehen, sogar mit Dingen, die sie noch nie zuvor gesehen haben.

Neurostrukturen auf Siliziumbasis

Prof. Meier und seine Kollegen konzentrieren sich daher auf sogenannte neuromorphe Systeme. Sie entwickeln physikalische Modelle von neuronalen Schaltkreisen auf Siliziumbasis. In ihrem Aufbau orientieren sie sich an den Strukturen des Nervensystems.  „Neuromorphe Systeme sollten wichtige Eigenschaften des Gehirns aufweisen: Fehlertoleranz, Lernfähigkeit und einen sehr geringen Energieverbrauch“, erläutert Prof. Meier. Mithilfe von Nanotechnologie haben er und seine Kollegen bereits Wafer – Chiprohlinge – hergestellt, auf denen 200.000 Neuronen und 50 Millionen Kontaktstellen zwischen den künstlichen Nervenzellen Platz finden.

Atlas auf mikroskopischer Ebene  

Erste Erfolge können die Wissenschaftler des Human Brain Project bei der Nachbildung des Gehirns vorweisen. Manche Vorläuferprojekte laufen schließlich schon seit einigen Jahren. Kürzlich stellte ein deutsch-kanadisches Forscherteam um die Neurowissenschaftlerin Prof. Katrin Amunts vom Forschungszentrum Jülich das dreidimensionale Hirnmodell „BigBrain“ in der Fachzeitschrift „Science“ vor. Dieser neue Hirnatlas ermöglicht es erstmals die komplexe Struktur des Gehirns auf mikroskopischer Ebene dreidimensional zu sehen. Er erlaubt Einblicke mit einer Auflösung von 20 Mikrometern – das entspricht etwa der Größe einer einzelnen Nervenzelle und ist weniger als die Hälfte des Durchmessers eines Haares.

Im Verlauf von fünf Jahren leisteten die Wissenschaftler echte Fleißarbeit. Sie schnitten mithilfe eines speziellen Schneidegeräts das Gehirn einer Verstorbenen in rund 7.400 hauchdünne Scheiben von 20 Mikrometern Dicke. Jeden einzelnen Gewebeschnitt scannten die Forscher ein und rekonstruierten ihn anschließend dreidimensional an Großrechnern. „Die Verarbeitung der hauchdünnen, fragilen Gewebeproben ist extrem schwierig und aufwändig“, sagt Prof. Amunts. Denn beim Schneiden entstehen teilweise Risse oder Falten. Die müssen in den digitalisierten Schnitten mithilfe moderner Bildverarbeitungswerkzeuge „repariert“ werden, sagt die Forscherin.

„BigBrain“ trägt dazu bei, neue Erkenntnisse über das Gehirn zu gewinnen. „Die menschliche Hirnrinde ist aufgrund ihrer Entwicklung sehr stark gefaltet", nennt die Neurowissenschaftlerin ein Beispiel für eine mögliche Anwendung. Daher lässt sich ihre Dicke in einigen Arealen durch bildgebende Verfahren nur sehr ungenau bestimmen. „Mithilfe unseres hochauflösenden Hirnmodells können wir nun in verschiedenen funktionellen Hirnarealen wie etwa der motorischen Rinde neue Einsichten in deren normalen Aufbau gewinnen und zahlreiche Strukturmerkmale messen.“ Amunts und ihren Kollegen ist damit immerhin ein statisches Abbild des Gehirns gelungen.

Rattengehirn-Simulation

Doch das ist nicht alles. Einem Team um Henry Markram schaffte es in dem Vorläuferprojekt Blue Brain Project zumindest, einen kleinen Teil des Gehirns einer Ratte zu simulieren: eine kortikale Säule. Diese umfasst bei einer Ratte 10.000 Neurone in einem senkrechten Segment der Hirnrinde. Grundlage für die Simulation in einem Superrechner waren detaillierte Untersuchungen der elektrischen und molekularen Vorgänge zwischen den Nervenzellen dieser kortikalen Säule.

Selbstverständlich ist es von dort noch ein sehr weiter Weg bis zur Simulation sämtlicher Nervenzellen des menschlichen Gehirns und ihrer Verbindungen. Entsprechend groß ist die Skepsis in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Man wisse bislang viel zu wenig über die Abläufe im Gehirn, um sich überhaupt an eine Simulation wagen zu können, sagen Kritiker. Schließlich habe man noch nicht einmal ein wesentlich kleineres Neuronennetzwerk wie das des Fadenwurms C. elegans verstanden. Und das hat nur 302 Neurone. Ob die ambitionierte Vision des Human Brain Project tatsächlich ein Erfolg wird, muss die Zukunft zeigen. 

Hoffnung für die Medizin?

Große Hoffnungen weckt das Human Brain Project auch für die Medizin. Die genauen biologischen Ursachen neurologischer und psychischer Störungen wie Alzheimer oder Depression sind in den meisten Fällen noch unbekannt. Hypothesen, wie psychische Störungen durch Fehlfunktion des Gehirns entstehen, könnten mittels Hirnsimulation auf die Probe gestellt werden. So zumindest die Vision.

 Interview mit Prof. Markram (english)

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