Technikbasierte Bildung

Blue Brain Project: Erste erfolgreiche Computer-Simulation von Gehirngewebe

Marek Hoffmann Autor, Hemd & Hoodie

Trotz der enormen Leistungsfähigkeit moderner Superrechner: Es fällt schwer sich vorzustellen, dass etwas so komplexes wie das menschliche Gehirn mit Hilfe von computerbasierten Modellen und Simulationen nachzubilden sein könnte. Doch genau das ist das erklärte Ziel von Blue Brain. Der Simulationsteil des über eine Milliarde teuren Großprojekts Human Brain, an dem 82 europäische und internationale Forschungseinrichtungen beteiligt sind, soll neue Instrumente zur Verfügung stellen, um das Gehirn und seine grundlegenden Mechanismen besser zu verstehen. Dieses Wissen soll in der Medizin und in Computer- und Robotertechnologien der Zukunft zum Einsatz kommen.

Ein erster, vielversprechender Schritt zum Erreichen des ehrgeizigen Ziels ist nun erfolgt: Vor kurzem veröffentlichte das Forscher-Konsortium unter Leitung der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) erstmals eine Gehirnsimulation. Und diese dürfte tatsächlich ein Beispiel dafür sein, „dass es möglich ist, Gehirngewebe digital zu rekonstruieren und simulieren”, wie es die EPFL verkündet. Hierfür wurde von ihr ein mikroskopisch kleiner Würfel des somatosensorischen Cortex einer Ratte mit 31.000 Zellen, 55 Zelllagen, 207 Neuronentypen und 40 Millionen Kontakten nachgebildet.

Zehntausende Experimente Basis für akkurate Simulation

Resultate im Internet frei zugänglich

Anhand des nur etwa ein Drittel Kubikmillimeter großen Ausschnitts der Großhirnrinde konnten die Forscher das elektrische Verhalten des Hirngewebes mittels einer Computerrepräsentation sehr detailliert simulieren. Die Resultate, die inklusive aller experimenteller Daten und der digitalen Rekonstruktion im Internet frei zugänglich sind, stimmen mit dem Verhalten von Neuronen überein, das zuvor in unterschiedlichen Experimenten an lebenden Gehirnen beobachtet werden konnte.

Um die Grundregel zu identifizieren, wie Neuronen im Mikroschaltkreis angeordnet sind, wie sie über Synapsen elektrische Impulse übertragen, mit anderen Nervenzellen in Kontakt stehen oder Informationen speichern – hierfür wurden zehntausende Untersuchungen durchgeführt und deren Ergebnisse in die Simulationsprogramme eingepflegt. Die Forscher konnten dann das Verhalten der Hirnzellen unter verschiedenen Bedingungen simulieren und aufzeigen, dass die Anpassung eines bestimmten Faktors – beispielsweise dem Fluss von Calzium-Ionen – einen großen Einfluss auf die Signaltransduktion hat und bestimmte Aktivitätsmuster hervorbringt.

Hoffnung für Patienten mit Gehirnerkrankungen

„Die Rekonstruktion ist nur ein erster Entwurf“

Das Senken der Kalziumniveaus führte etwa dazu, dass eine asynchrone Aktivität auftrat, wie sie im Wachzustand vorkommt. Andere Simulationen hatte Stöße von synchronisierter neuronaler Aktivität zur Folge, wie sie während des Schlafes gemessen werden kann. Da sich solche Ergebnisse nicht an einer einzigen Hirnzelle beobachten ließen, müsste es den Forschern zufolge zelluläre Mechanismen geben, die den Neuronenschaltkreis von einem Zustand zum anderen umschalten können, um die Rechenleistung für bestimmte Aufgaben anzupassen.

neuron

Hieraus ergeben sich neue Möglichkeiten, wie Wach- und Schlafzustände im gesunden Gehirn untersucht werden könnten. Gleichzeitig lassen sich aber auch Gehirnerkrankungen und Störungen wie beispielsweise Epilepsie erforschen. Bei aller Euphorie über die erste gelungene und sehr genaue Simulation: „Die Arbeit hat eben erst begonnen“, so der israelische Hirnforscher und von vielen Wissenschaftlern kritisierte Projekt-Direktor Henry Markram. „Die Rekonstruktion ist ein erster Entwurf, sie ist nicht vollständig und noch keine perfekte digitale Nachbildung des biologischen Gewebes”, so Markram weiter. „Die Arbeit, das Gehirn zu rekonstruieren und zu simulieren, ist eine im großen Maßstab“, bei der aber bislang noch solch wichtige Aspekte des Gehirns wie Strukturzellen, Blutgefäße oder Anpassungsstrategien komplett fehlen.

Bilder: EPFL – Blue Brain Project

Artikel empfehlen

Zugehörige Themen

Wissenschaft

Als Nächstes lesen

Read Full Story