Human Brain Project: Der Gehirn-Simulator von Jülich

Von , Jülich

Human Brain Project: Das simulierte Gehirn Fotos
Corbis

In Jülich wollen Wissenschaftler das menschliche Gehirn nachbauen. Auf Europas schnellstem Supercomputer Juqueen soll das komplexe Zusammenspiel der Neuronen simuliert werden. Doch die Kritik an dem von der EU gesponserten Projekt ist groß.

Die gewaltige Rechenpower sieht man Juqueen kaum an. Die 28 schwarzen Schränke sehen unspektakulär aus - doch sie sind prall gefüllt mit Computerhardware. Genau 458.752 Prozessorkerne stecken in dem Supercomputer auf dem Forschungszentrum Jülich - er ist der derzeit schnellste Rechner Europas.

Noch wird Juqueen von Wissenschaftlern quer durch alle Fachgebiete genutzt. Meist laufen mehrere Jobs parallel, die geballte Rechenpower aller Prozessoren ist meist nicht nötig, um zum Beispiel das Verhalten von Flüssigkeiten oder komplexe Moleküle zu modellieren. Doch das könnte sich bald ändern: Zumindest stunden-, vielleicht sogar tageweise sollen menschliche Hirnzellen auf dem Großrechner simuliert werden. Weil unser Gehirn aus Milliarden Nervenzellen besteht, ist am Ende vielleicht sogar der gesamte Supercomputer mit sämtlichen Prozessorkernen damit beschäftigt.

Bis zu eine Milliarde Euro Förderung hat die EU für das Human Brain Project Anfang des Jahres bewilligt. Henry Markram von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) leitet die Hirnsimulation. Jülich übernimmt als Partner das Supercomputing - und auch bei der Kartierung des Gehirns wollen Wissenschaftler aus Jülich eine zentrale Rolle spielen.

"2020 sollen zwischen 30 und 40 Forscher in Jülich am Human Brain Project arbeiten - finanziert aus eigenen Mitteln und über das Projekt", sagt Thomas Lippert. Juqueen steht in einer kleinen Halle des von ihm geleiteten Instituts. Zum Supercomputer gehört auch eine Festplatten-Armada mit insgesamt 450 Terabyte Speicherplatz. "Man könnte damit ein sehr primitives Modell eines Rattengehirns simulieren", sagt Lippert.

Reverse Engineering

Die Simulation einer Nervenzelle beschäftigt etwa einen Prozessorkern. Das menschliche Gehirn mit rund 100 Milliarden Neuronen ist damit auf absehbare Zeit viel zu groß, um es vollständig mit einem virtuellen Modell nachbauen zu können. Der gewaltige Rechenaufwand ist aber nicht das einzige Problem, mit dem die Hirnsimulatoren in den kommenden Jahren zu kämpfen haben.

Zuallererst geht es darum, ein möglichst gutes Modell menschlicher Nervenzellen zu entwickeln. "Das ist ein iterativer Prozess", sagt die Hirnforscherin Katrin Amunts, Direktorin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin in Jülich. "Wir werden das Modell Schritt für Schritt weiter aufbauen. Immer wieder müssen wir es dabei mit Ergebnissen von Experimenten abgleichen."

Reverse Engineering umschreibt das Human Brain Project wohl am besten. Man kann die zellulären Abläufe im menschlichen Gehirn kaum detailliert untersuchen. Eingriffe ins lebende Gehirn sind schwierig. Und sämtliche Nervenzellen mit Sensoren zu bestücken, ist unmöglich. Hirnscans liefern nur Landkarten mit einem groben Überblick weit oberhalb der Zellebene.

Daher untersuchen Forscher wie Amunts auch Gehirne Verstorbener. "Ich bin überzeugt, dass dies uns entscheidende Informationen über die strukturelle Organisation des lebenden Gehirns liefert", erklärt sie und holt einen auf Glas fixierten Hirnschnitt aus dem Regal. Man wolle Proben wie diese Schicht für Schicht scannen, um die Hirnstruktur bis auf die Ebene einzelner Nervenzellen hinab zu verstehen. Aus den Aufnahmen sollen beispielsweise Verbindungen zwischen weit entfernten Hirnregionen rekonstruiert werden, von denen man weiß, dass sie sehr wichtig sind, aber deren genauer Verlauf in vielen Fällen noch unbekannt ist.

Was ist Intelligenz?

Je besser das Modell wird, umso eher kann man es benutzen, um damit virtuell zu experimentieren - das ist auch das eigentliche Ziel der Forscher. Wie reagieren Rezeptoren auf neue Medikamente? Welche Veränderungen führen zu Demenzen wie Alzheimer? Fragen wie diese soll der Hirnsimulator eines Tages beantworten können und so vielleicht auch das wohl größte Geheimnisse des Menschen lüften: Wie denken wir? Wie entsteht Intelligenz?

Amunts sieht gute Erfolgschancen für das Human Brain Project. "Ich arbeite sein 20 Jahren in der Hirnforschung. Ein solches Großprojekt hat den Vorteil, dass es Kontinuität über einen längeren Zeitraum bietet." So könne man Fragen angehen, die sich in kurzlebigen Projekten von ein bis drei Jahren nicht lösen ließen.

Hunderte Forscher aus ganz Europa sind an der sogenannten Ramp-up-Phase beteiligt, die im Oktober beginnt und 30 Monate dauert. In diesem Zeitraum geht es darum, eine Art Proof of Principle zu liefern, also zu zeigen, dass der Ansatz prinzipiell funktioniert. Nach derzeitiger Planung soll 2016 oder 2017 ein noch größerer Supercomputer Juqueen ersetzen. Im Jahr 2021 schließlich könnte ein noch schnellerer Großrechner folgen, der eine Rechenleistung von einem Exaflop (1000 Petaflops) überschreitet. Zum Vergleich: Tianhe-2 aus China führt die Weltrangliste der Supercomputer mit 55 Petaflops an. Juqueen, der derzeit siebtschnellste Rechner der Welt, schafft 6 Petaflops.

Die Erwartungen sind hoch - aber nach wie vor steht das Human Brain Project heftig in der Kritik. Mancher Hirnforscher hält das Vorhaben für utopisch, weil man bislang viel zu wenig über die Abläufe im Gehirn weiß, um sich überhaupt an eine Simulation wagen zu können.

"Markram macht den vierten Schritt vor dem ersten", sagt beispielsweise der Münchner Hirnforscher Moritz Helmstädter. Christian Steinhäuser von der Universität Bonn meint: "Ich halte es in absehbarer Zeit für unmöglich, auch nur annähernd die Wechselwirkungen von Milliarden von Neuronen untereinander realistisch zu simulieren."

Der Berliner Forscher Helmut Kettenmann vom Max-Delbrück Zentrum für Molekulare Medizin beschreibt die Schwierigkeiten der Hirnforschung am Beispiel des stomatogastrischen Ganglions beim Hummer. Die Nervenverbindung zwischen Mundhöhle und Magen besteht aus nur 30 Neuronen. "Das wird seit Jahrzehnten untersucht", erklärt er. Die Eigenschaften dieses kleinen Netzwerkes könnten jedoch bisher nicht vorhergesagt werden. "Ich glaube, man müsste erst mal ein so kleines Netzwerk verstanden haben, bevor man sich an ein komplexeres wagt, wie den Wurm C. elegans mit 302 Neuronen. Der Rest ist Utopie."

Supercomputing-Experte Thomas Lippert reagiert auf solche Kritik inzwischen ziemlich genervt. "Die Widerstände gegen das Human Brain Project sind für mich schwer verständlich." Das Geld gehe doch nicht an ein einzelnes Institut, es seien europaweit 200 Forschergruppen beteiligt. All die aufgeworfenen Fragen wolle man ja gerade klären. "Niemand weiß heute, bis wann wir ein gutes Modell haben. Aber ich wüsste nicht, wie wir ansonsten vorgehen sollten, um das Gehirn endlich verstehen zu können."

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insgesamt 497 Beiträge
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1.
Frau Mau 18.06.2013
"Der Berliner Forscher Helmut Kettenmann vom Max-Delbrück Zentrum für Molekulare Medizin beschreibt die Schwierigkeiten der Hirnforschung am Beispiel des stomatogastrischen Ganglions beim Hummer. Die Nervenverbindung zwischen Mundhöhle und Magen besteht aus nur 30 Neuronen. "Das wird seit Jahrzehnten untersucht", erklärt er. Die Eigenschaften dieses kleinen Netzwerkes könnten jedoch bisher nicht vorhergesagt werden." Ich glaube das sagt doch schon alles. Kritisieren würde ich dieses Projekt nicht, eher belächeln
2. Bewusstsein kann man nicht simulieren
donald_rumsfeld 18.06.2013
Maximal kann ein Gehirn von einem Säugling simuliert werden, aber alles darüber hinaus ist zu Komplex. Ein Computer der denkt "ich bin" wäre wirklich gefährlich
3. Es gibt immer Kritik
robin-masters 18.06.2013
das ist in Europa so üblich.
4. Festplattenarmada?
sebbo23 18.06.2013
450 TB? Das kann man sich ja ohne größeren Aufwand bei Mediamarkt zusammenkaufen...
5. Analogie Human Genome Project
zila 18.06.2013
Da ist auch der Grossteil in den letzten Jahren entschluesselt worden und nicht linear gleich am Anfang. Der Erkenntnisgewinn war sicher gross, aber es gibt immer noch kaum Gentherapien oder umfassende Diagnosetools, von ein paar Dutzend eindeutiger Erbkrankheiten abgesehen. Die Frage ist doch, wie komplex man so ein Neuron simulieren muss, je nach Fragestellung. Fuer ein mathematisches Modell eines neuronalen Netzwerkes um kognitive oder motorische Faehigkeit nachzubilden kann man da vermutlich recht simpel modellieren, fuer ein biologisches Modell, dass Neurotransmitter, Rezeptoren usw. im Detail darstellt, wie es fuer Medikamenteninteraktion noetig ist, braucht es vielleicht auch mehr als einen Kern.
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