Geist in der Maschine

Das Projekt "Blue Brain" ist ambitioniert: In Lausanne wollen Biologen und Informatiker auf einem der schnellsten Rechner der Welt ein detailgetreues Abbild des der Großhirnrinde schaffen. Experten bezweifeln den Sinn des Vorhabens.

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Markus Bärtschi wird den Tag unseres Besuches so schnell nicht vergessen. Denn an diesem warmen Spätsommertag in Lausanne wurde sein zweites Kind geboren. In einem guten Jahr wird der Kleine wohl schon laufen, einzelne Worte sprechen, wie selbstverständlich nach Gegenständen greifen – und damit die besten und am weitesten entwickelten Roboter, die die Wissenschaft derzeit hervorbringen kann, locker ausstechen. Aber vielleicht hat sein Vater in diesem Frühjahr und Sommer nicht unerheblich dazu beigetragen, den Rückstand der Maschinen zu verringern. Denn Bärtschi hat im Auftrag von IBM an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne einen Rechner installiert, mit dem Biologen und Informatiker Großes vorhaben: Sie wollen auf der Maschine ein detailgetreues Abbild der Großhirnrinde installieren. Und irgendwann soll auf einem noch besseren Rechner ein komplettes menschliches Hirn aus Einsen und Nullen entstehen.

Vier schwarze, mannshohe Schränke stehen in den Tiefen des Rechenzentrums wie gegen den ewig rauschenden Fahrtwind der Lüftung geneigt. Diese Blue-Gene-Maschine gehört zum Feinsten, was man im Supercomputing-Bereich bekommen kann. Mit 8192 Prozessoren und einer Spitzenleistung von knappen 23 Teraflops – das sind tausend Milliarden Fließkomma-Operationen pro Sekunde – steht sie zurzeit auf Platz 13 in der Rangliste der schnellsten Computer der Welt. Wir stehen angemessen beeindruckt vor dem schwarzen Ungetüm, das uns Bärtschi, seine zappelnde Erstgeborene an der Hand, vorführt. Bevor er zu seiner Frau ins Krankenhaus enteilt, gewährt er einen kleinen Einblick in die Eingeweide der Maschine.

„Was mir daran besonders gut gefällt“, erklärt Bärtschi fast liebevoll, „ist, wie ordentlich das alles aufgebaut ist.“ Hier also, in diesem Kellerraum, der von Summen und Brummen und vielerlei Gerätschaften erfüllt ist, soll die Basis- Einheit des Säugetier-Gehirns simuliert werden – für den Anfang wurde eine Ratte als Vorbild gewählt. Und auch wenn sich die Forscher erst einmal nur einen halben Millimeter Hirn vorgenommen haben, geht das Projekt weit über das hinaus, was bei bisherigen Arbeiten zu sehen gewesen ist: Das ausgewählte Hirnstück gilt als universeller Schaltkreis von Intelligenz schlechthin, als entscheidender Baustein in der Evolution des Primatengehirns. Auf Bärtschis Mega-Rechner soll es all das tun, was es auch in einem echten Lebewesen leisten würde.

An dem überaus ehrgeizigen Vorhaben sind Dutzende von Arbeitsgruppen in Frankreich, Israel und den USA beteiligt. Sein Chefdenker ist Henry Markram, ein in Südafrika geborener Experimentalbiologe mit israelischer Staatsbürgerschaft. Der Co-Direktor des Brain Mind Institute an der Lausanner Hochschule sitzt in einem in kühlem Schwarz-Weiß gehaltenen Büro, an der Wand steht ein Ständer mit einer kleinen Auswahl an Krawatten für den schnellen offiziellen Auftritt. Markram spricht ruhig und leise, erklärt unaufgeregt, wie er das „Neuron in seiner natürlichen Umgebung“ zu studieren gedenke: Das ist ganz und gar nicht der Prototyp des verrückten Wissenschaftlers, kein Frankenstein-Erbe mit wirren Haaren und stechendem Blick; viel eher der abgeklärte Manager eines erfolgreichen Unternehmens. „Das kleinstmögliche Netzwerk, das man sinnvollerweise untersuchen muss, besteht aus mindestens 1000, besser noch 10 000 Neuronen“, sagt Markram. „Da gibt es keine Grenze nach oben.“ Und: „Dabei kann durchaus so etwas wie Intelligenz entstehen.“ Das klingt, als sei der Geist in der Maschine reine Fleißarbeit.

SCHALTKREIS DER INTELLIGENZ

An der Wand hinter Markrams Besprechungstisch hängt ein rund zwei Meter langes Foto, auf dem einzelne, leuchtend gelb eingefärbte Nervenzellen zu sehen sind. Es handelt sich um einen Schnitt durch die „kortikale Kolumne“ einer Ratte, um eben jenes universale Hirnmodul, das in Lausanne zu virtuellem Leben erweckt werden soll. „Wir haben uns für diese Struktur entschieden, weil sie den evolutionären Sprung von den Reptilien zu den Säugetieren darstellt“, erklärt Markram. Entdeckt wurde der Hirnbaustein erstmals von Vernon Mountcastle in den fünfziger Jahren. Der amerikanische Neurowissenschaftler untersuchte damals mittels Elektroden den Teil der Hirnrinde von Katzen, der auf Berührungsreize reagiert. Als er seine Elektrode durch den Kortex bewegte, fand er zylindrisch geformte Strukturen, innerhalb derer alle Nervenzellen auf den gleichen Reiz reagierten. Kurze Zeit später erkannten David Hubel und Torsten Wiesel ein vergleichbares Prinzip im visuellen Kortex von Katzen, wofür sie 1981 den Nobelpreis für Medizin erhielten. Die bahnbrechende Erkenntnis: Visuelle Reize werden in der Sehrinde zunächst anhand ihrer „Modalitäten“ aufgeschlüsselt und dann weiterverarbeitet.

So reagieren einzelne Kolumnen zum Beispiel, wenn eine Linie mit einer bestimmten Neigung ins Blickfeld gerät, andere Kolumnen bei einer bestimmten Farbe oder Bewegung. Tatsächlich hat es den Anschein, als sei unser großes, tief gefurchtes Großhirn entstanden, weil sich das Hirnmodul ab einem bestimmten Zeitpunkt in der Evolution wie eine autonome Einheit vervielfältigte und die Hirnrinde sich so immer weiter ausdehnte. Besonders die Primaten konnten dadurch Sinnesreize immer aufwendiger verarbeiten und ihre Umwelt in immer höherer Auflösung wahrnehmen.

Der eigentliche Clou der Kolumnen, die man inzwischen auch mit bildgebenden Verfahren sichtbar machen kann, besteht dabei nach Ansicht vieler Neurowissenschaftler in ihrer universalen Konstruktion. So haben zum Beispiel amerikanische Forscher vor einigen Jahren bei neugeborenen Frettchen die Sehnerven zu dem Teil der Großhirnrinde umgeleitet, der normalerweise Höreindrücke verarbeitet. Die neu verdrahteten Frettchen verarbeiteten nun visuelle Eindrücke mit einem Hirnareal, das dafür ursprünglich gar nicht vorgesehen war – fast wie Computer-Prozessoren, die je nach Software unterschiedliche Aufgaben erfüllen können.

Nicht nur für eine hochaufgelöste Wahrnehmung der Welt, auch für kognitive Prozesse, Gedächtnisleistungen, sogar für Bewusstsein machen manche Forscher das allgegenwärtige Modul verantwortlich. „Nur der Input entscheidet über die Funktion der Kolumne“, sagt Markram. „An der einen Stelle verarbeitet sie visuelle Eindrücke, aber wenn man sie herausnimmt und an eine andere Stelle platziert, kann sie genauso gut über Mathematik nachdenken.“

Die Kolumne, die das Team um Markram zunächst simulieren will, ist dem sensorischen Kortex junger Ratten abgeschaut und enthält etwa 10000 Neuronen. Sie ist damit vergleichsweise einfach gebaut – manche der Hirnmodule sind rund zehnmal so groß. Aber jedes einzelne Neuron besitzt fein verästelte Fortsätze, die Kontaktstellen mit 1000 bis 10 000 anderen Nervenzellen ausbilden und dort mittels chemischer Botenstoffe aktivierende oder dämpfende Signale senden. Wird ein bestimmter Schwellenwert erreicht, so lösen die vielen Einzelsignale einen aktiven Impuls, ein „Aktionspotenzial“ aus – die Nervenzelle feuert und trägt dieses Signal wiederum an tausende andere Zellen weiter. Dabei werden die Inputs jedoch nicht einfach aufsummiert: Jede Nervenzelle ist eine eigene Informationsbearbeitungs-Maschine, die auf vieltausendfachen Input an vielen unterschiedlichen Orten mit komplexem Timing nach verschiedensten Regeln mit einem aktiven Output antworten kann.

Wie kommt ein solcher aktiver Impuls zustande? Jede Zelle, so auch die Nervenzelle, ist durch eine Außenhaut gegen die Umwelt abgegrenzt, die allerdings gewissermaßen löcherig ist: Durch so genannte Ionenkanäle können selektiv und geschaltet Kalium- und Natrium-Ionen strömen. Ionenpumpen genannte Proteine in der Membran transportieren fortlaufend Kalium ins Zellinnere und Natrium aus der Zelle heraus. Angetrieben von dem Konzentrationsgefälle strömen die positiven Kaliumionen durch geöffnete Kaliumkanäle nach außen, sodass an der Membran bereits im Ruhezustand eine Spannung anliegt. Wenn sich nun entweder durch chemische Botenstoffe oder durch einen elektrischen Impuls auch die Natriumkanäle öffnen, dann kann Natrium einströmen und die Potenzialdifferenz ausgleichen. Aus dem ganzen Geschehen ergibt sich ein zeitlich veränderliches Ungleichgewicht der Ionen, das sich entlang der langgezogenen Zellfortsätze wie eine Welle auf einem Seil zu den anderen Zellen fortpflanzen kann.