Der Hirn-Simulator

22.02.12 – Holger Dambeck

Europäische Wissenschaftler wollen binnen zehn Jahren das Gehirn elektronisch nachbauen. An diesem Modell möchten sie nicht nur Krankheiten wie Alzheimer erforschen, sondern auch ergründen, wie Intelligenz entsteht.

Für den Laien ist Watson das wohl schlaueste Stück Elektronik auf der Welt. Der von IBM entwickelte Supercomputer kann nicht einfach nur rechnen – er löst Rätsel, die in Umgangssprache formuliert sind. Selbst ein Satz wie „Auch eine kaputte zeigt zweimal am Tag die richtige Zeit an“ bringt ihn kaum in Schwierigkeiten. Die richtige Antwort – eine Uhr – folgt prompt. Das ist beeindruckend, 2011 besiegte Watson in der amerikanischen Quizshow „Jeopardy“ sogar die besten Rätselchampions aus Fleisch und Blut. Von der seit Jahrzehnten beschworenen künstlichen Intelligenz ist Watson trotzdem noch meilenweit entfernt. Er kann zwar Fragen zur Allgemeinbildung beantworten, dabei hilft ihm der riesige Wissensberg auf seinen Festplatten, darunter die gesamte Wikipedia. Aber Watson kann weder neues Wissen schaffen noch kreativ sein. Worauf menschliche Intelligenz beruht, wie wir Entscheidungen treffen und warum das Gehirn so leistungsfähig ist – das wissen bislang weder Hirnforscher noch Informatiker.

Darin sieht Henry Markram eine ganz persönliche Herausforderung. Der Neuroforscher von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) möchte das menschliche Gehirn auf einem Computer simulieren, um es besser zu verstehen. Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus ganz Europa bewirbt er sich bei der EU um eine Milliarde Euro Förderung in zehn Jahren, um den Hirnsimulator zu erschaffen. Die Forscher um Markram und ihr „Human Brain Project“ bilden eines von sechs Konsortien, das den Status eines Leuchtturmprojekts erringen will.

Seit 25 Jahren erforscht Markram Nervenzellen – inzwischen hinunter bis zur Ebene der Gene. In Lausanne leitet er das Blue Brain Project, in dem das Gehirn einer Ratte simuliert wird. Es ist – wenn man so will – ein Vorläufer für das Human Brain Project. Bereits 2007 gelang es dem Team an der EPFL, mithilfe ihres eigenen Supercomputers einen kleinen Teil des Rattenhirns, die sogenannte neokortikale Säule mit 10000 Neuronen, auf zellulärer Ebene zu simulieren (siehe TR 1/2006, S. 32). Die Säule gilt als einer der Grundbausteine des Gehirns, weil sie konkrete Sinnesreize in abstraktere Muster umsetzt, die dann von anderen Hirnarealen weiterverarbeitet werden.

Dabei versuchen sich die Forscher von Lausanne so nah wie möglich an den Abläufen in den Nervenzellen zu halten. Nur so glauben sie dem Geheimnis des menschlichen Gehirns auf die Spur zu kommen. Herkömmliche künstliche neuronale Netze, wie sie schon seit Jahrzehnten etwa zum Klassifizieren von Bildern eingesetzt werden, sind ihrer Meinung nach für solche Zwecke zu statisch und in ihren Fähigkeiten zu eingeschränkt.

Um die Säule zu modellieren, haben die Forscher die Abläufe in den Zellen in ein ganzes Set von Differenzialgleichungen übersetzt. Botenstoffe und Proteine werden dabei ebenso modelliert wie die sogenannten Ionenkanäle, die für die elektrische Signalübertragung von Nervenzelle zu Nervenzelle zuständig sind. Die Lösungen der miteinander gekoppelten Differenzialgleichungen beschreiben, wie sich das Spannungspotenzial an den Zellmembranen mit der Zeit verändert. Dieses zeitliche Verhalten ist enorm wichtig: Aus Tierversuchen wissen Hirnforscher, dass Neuronen nicht einfach zu feuern beginnen, wenn sie von anderen feuernden Neuronen angeregt werden. Es kommt darauf an, in welchem zeitlichen Abstand die Impulse, auch Spikes genannt, ein Neuron erreichen. Das Modell bildet aber auch die Vielfalt der Neuronen ab. Laut Markram gibt es 16 verschiedene Typen von Neuronen in der Kolumne. „Jede Nervenzelle hat 20000 bis 30000 Gene, davon sind nur 3000 bis 4000 wirksam“, erklärt er. Wenn man diese Gene kenne, könne man die Zelltypen im Computer nachbauen.

Um die Position der verschiedenen Neuronentypen im Gehirn zu finden, nutzen die Forscher fluoreszierende Proteine und sogenannte Ultramikroskope. Wenn man verschiedenfarbige Proteine für unterschiedliche Gene verwendet und dann die Zellen beobachtet, erhält man eine dreidimensionale Karte mit der Verteilung der verschiedenen Zelltypen. Jede Nervenzelle ist mit bis zu 20000 anderen Neuronen über Synapsen verknüpft. Die meisten Verbindungen bestehen zu Neuronen im unmittelbaren Umfeld – aber es gibt auch Synapsen zwischen weiter entfernten Zellen. Während das Gehirn lernt, werden Synapsen neu geknüpft oder bestehende Verbindungen verstärkt, andere gekappt. „Neuronen verbinden sich nicht einfach mit anderen Neuronen“, erklärt Markram. „Sie wählen sehr sorgfältig aus, mit wem sie sich verknüpfen.“

Im Design dieser Verknüpfungen steckt eines der großen Geheimnisse des Gehirns. Markram versteht es zu beeindrucken. In seinen Präsentationen zeigt er bunte Animationen der neokortikalen Säule, in denen angeregte Neuronen feuern. Nach seiner Aussage kann das Blue-Brain-Modell bereits Phänomene reproduzieren, die man aus Beobachtungen kennt. „Das Gehirn wacht bei bestimmter Stimulierung plötzlich auf“, erklärt er. Die ursprünglich ruhigen Neuronen begännen dann zu feuern. „Das ist nicht programmiert“, betont Markram. Er nennt dieses Phänomen das neuronale Äquivalent zur La-Ola-Welle. Aber viel mehr, als dieses synchronisierte Verhalten nachzubilden, ist bisher nicht herausgekommen bei all den Simulationen. Noch haben die Forscher der EPFL keine detaillierten Ergebnisse der Simulationen veröffentlicht, obwohl diese bereits Jahre zurückliegen. Markram spricht nur nebulös von Prinzipien, die man entdeckt habe. Damit könne man unter anderem das Verhalten von Neuronen reproduzieren und erklären, was über Verbindungen zwischen Neuronen entscheide.

Die dürftige Faktenlage könnte damit zusammenhängen, dass Markram und seine Kollegen konkurrierenden Forschern nicht zu viel verraten wollen. Schließlich sind sie nicht die Einzigen, die versuchen, das Gehirn nachzubauen. Die wohl ernsthafteste Konkurrenz stellt das Team um Dharmendra Modha vom IBM Research Lab in Almaden (Kalifornien) dar. Modhas Team verfolgt freilich einen anderen Ansatz: Statt biologische Abläufe eins zu eins abzubilden, setzen die Forscher auf ein künstliches neuronales Netz, das um einige typische Funktionen aus dem Gehirn erweitert wird. Womöglich reichen die bisherigen Ergebnisse aus Lausanne aber auch einfach noch nicht für eine Veröffentlichung aus. Markram selbst spricht von fast 40 publizierten Arbeiten – räumt jedoch ein, dass es darin weniger um die Ergebnisse der Simulationen geht, sondern vor allem um die Technologie dahinter. „Wir müssen das Schreiben von Artikeln, die unsere Kritiker besänftigen, mit der eigentlichen Hauptaufgabe, dem Bauen des Simulators, ausbalancieren“, erklärt er wolkig.

Das Human Brain Project soll nicht nur helfen, die Geheimnisse des Gehirns zu lüften. Es soll auch dazu beitragen, die mehr als 500 bekannten Hirnkrankheiten zu verstehen. „Das ist ein ernstes Problem“, sagt Markram. Die Pharmabranche ziehe sich mehr und mehr aus der Forschung zurück...