Das Blue Brain-Projekt

17. Juni 2019
Das ehrgeizige Blue Brain-Projekt aus der Schweiz hat es sich zum Ziel gesetzt, vom Nagetier bis hin zum Menschen das bisher detaillierteste digitale Modell der Architektur und Funktion des Gehirns zu entwickeln.

So wie die Astrophysiker nach außen schauen, um die Mechanik der Sterne zu verstehen, so schauen die Neurowissenschaftler nach innen, um die Mechanik des menschlichen Gehirns zu verstehen. Eine so ehrgeizige Reise, eine Sehnsucht der Wissenschaft, die vor vielen Jahrzehnten entstand, hat heute ihren größten Vertreter in Form eines Forschungsprojekts: Die Initiative heißt Blue Brain. Sie wurde 2005 von dem Schweizer Professor Henry Markram ins Leben gerufen.

Es ist wahr, dass der Mensch Karten zeichnet, um die Ergebnisse einer Erkundung darzustellen. Denn so können diese festgehalten werden, damit andere sie übertragen und untersuchen können.

So wie die Tinten- und Papierkarten der Neuen Welt die Bahnen eines neuen Kontinents darstellten, will das Blue Brain-Projekt eine digitale Karte erstellen, die die neuronalen Wege des menschlichen Gehirns und die Art und Weise, wie sie aktiviert werden, auf die bisher genaueste bekannte Weise modelliert. Eine Karte, die es uns erlaubt, die letzten Ecken dieses Organs zu erkunden.

Um zu einer präzisen Darstellung der Architektur und Funktionsdynamik des menschlichen Gehirns zu gelangen, wurde mit der Initiative der digitalen Rekonstruktion des Nagetiergehirns als Ausgangspunkt begonnen.

Das Blue Brain-Projekt

Es war im Monat Mai, vor 14 Jahren, als das Brain and Mind Institute der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL, französische Abkürzung) vorschlug, die Struktur und Funktion des Gehirns biologisch detailliert zu rekonstruieren.

Bei der verwendeten Technik handelt es sich um Reverse Engineering. Und das Projekt basiert auf Simulationen und Hirndarstellungen.

Das Nagetier wurde deshalb gewählt, weil es dem menschlichen Gehirn ähnlich scheint. Doch letzteres ist natürlich weitaus komplexer. Die Technologie hinter dieser Initiative basiert auf dem Blue Gene Supercomputer, der mit der NEURON-Software arbeitet.

„Mit jedem Stimulus, der eine Emotion auslöst, entstehen neue Verbindungen zwischen Zellgruppen in unserem Gehirn.“

Eduard Punset Casals

Gehirn von oben

Die empirische Grundlage des Projekts und das für diese Grundlage verwendete Modell ist eine Karte der Verbindungen zwischen den Neuronen des Gehirns, die als Konnektom bezeichnet wird. Dieses Modell beinhaltet eine realistische digitale Simulation von Gehirnneuronen aus biologischer Sicht. Es soll zu einer Enzyklopädie der Geheimnisse von Gehirn und Geist werden.

Ein Projekt dieser Größenordnung könnte ohne internationale Zusammenarbeit kaum durchgeführt werden. Deshalb werden parallel dazu weitere Projekte entwickelt, die Blue Brain unterstützen und ergänzen.

  • Das Projekt Cajal Blue Brain, koordiniert von CeSViMa (dem Supercomputing and Visualisation Centre of Madrid).
  • Das Projekt Joshua Blue von IBM, das darauf abzielt, Computer und Programme der Künstlichen Intelligenz zu entwickeln, die den menschlichen Geist nachahmen.
  • Das HBP bzw. Human Brain Project, bei dem Universitäten aus vielen Teilen Europas mit ihren wissenschaftlichen und computergestützten Bemühungen für ein detailliertes Verständnis des menschlichen Gehirns zusammenarbeiten.

Was unterscheidet Blue Brain von anderen ähnlichen Projekten?

Die Rekonstruktionen und Simulationen, die Blue Brain durch Supercomputing präsentieren kann, stellen einen radikal neuen Ansatz zum Verständnis der Hirnfunktion dar, indem sie diese als mehrstufige Struktur angehen. Diese „geschichtete“ Formgebung würde die funktionale Vielfalt des Geistes mit seinen endlosen Komplexitäten aufnehmen.

Diese Perspektive macht es möglich, eine der schwierigsten wissenschaftlichen Herausforderungen der heutigen Wissenschaft zu bewältigen: das Verständnis des Gehirns als ein komplexes Multiskalensystem, eine Aufgabe, für die diese Art von Neurowissenschaft der Simulation grundlegend ist.

Die überraschende Detailliertheit, mit der die neuronale Modellierung in diesem Projekt arbeitet, würde letzten Endes den Aufbau einer Hirnsimulation auf molekularer Ebene beinhalten; und das wiederum würde die Türen für die Untersuchung der Auswirkungen der Genexpression öffnen. Und daher erwartet man, dass die erzielten klinischen Vorteile beispiellos sein werden.

Kurze Geschichte des Projekts

  • 2005: Das erste zelluläre Modell ist fertiggestellt.
  • 2008: Der Bau der ersten künstlichen neokortikalen Zellsäule aus 10.000 Zellen wird erreicht.
  • 2011: Es wird ein Modell gebaut, das die Anzahl der Spalten des vorherigen Modells mit 100 multipliziert und insgesamt eine Million Zellen erreicht.
  • 2014: Ein Rattengehirn wird auf zellulärer Ebene künstlich rekonstruiert.
  • 2023: Für diesen Zeitpunkt ist die vollständige Rekonstruktion eines menschlichen Gehirns mit insgesamt 100 Billionen Zellen geplant.
Blaues Gehirn

Wofür der ganze Aufwand?

Neben den oben genannten klinischen Vorteilen, gibt es ein Endziel, das sich mit dem besten praktischen Nutzen überschneidet und das noch mehr Mysterien aus unserer populären Vorstellung löst.

Es ist so, dass die Auflösung der komplexen Artikulation der menschlichen Gehirnkomponenten im Prinzip endlich zu einem mehr als theoretischen Verständnis des menschlichen Gewissens führen könnte. Ein Ziel, dem sich im Laufe der Menschheitsgeschichte Hunderte von Wissenschaftlern und Denkern verschrieben haben.

Vorerst und als Auftakt für die kommenden spannenden Entdeckungen veröffentlichte das Blue Brain-Projekt im vergangenen Jahr seinen ersten digitalen neuronalen Atlas in 3D. Dieser enthält Informationen über Arten von Gehirnzellen sowie deren Menge und Position in insgesamt 737 Gehirnregionen.

Der Übergang vom klassischen Hardcover-Handbuch der Neuroanatomie – mit seinen zweidimensionalen Zeichnungen – zu einem solchen 3D-Atlas ist mit bescheidenen Worten ein großer Schritt für die Menschheit.

  • Schonberg T, Fox CR, Poldrack RA (2011) Mind the gap: bridging economic and naturalistic risk-taking with cognitive neuroscience. Trends Cogn Sci 15: 11–19.
  • Vorhold V (2008) The neuronal substrate of risky choice: an insight into the contributions of neuroimaging to the understanding of theories on decision making under risk. Ann N Y Acad Sci 1128: 41–52.