Erste Simulation eines Gehirnausschnitts präsentiert

Video10. Oktober 2015, 12:59
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Modell eines winzigen Würfels von Gehirngewebe im Supercomputer lieferte erste Ergebnisse

Lausanne – Das eigentliche Ziel des ehrgeizigen Blue Brain Projects ist eine Simulation des gesamten menschlichen Gehirns. Doch zunächst begnügen sich die Wissenschafter mit einem etwas kleineren Maßstab. In einem ersten Schritt haben die Forscher in den vergangenen Jahren damit begonnen, im Detail die elektrischen Eigenschaften, Formen, Größen und Verknüpfungen von Ratten-Neuronen zu charakterisieren. Ein erstes, umfangreicheres Ergebnis dieser Untersuchungen liegt nun vor: Experten unter Leitung der ETH Lausanne (EPFL) haben eine Gehirnsimulation präsentiert, die einem winzigen Würfel der Gehirnrinde mit 30.000 Hirnzellen und 40 Millionen Kontakten nachgebildet.

Die Resultate stimmten mit dem Verhalten von Neuronen überein, das in diversen Experimenten am Gehirn beobachtet worden war, teilte die Wissenschafter von der EPFL mit. Die Resultate werden im Fachjournal "Cell" vorgestellt. Das Team hat sämtliche experimentellen Daten und die digitale Rekonstruktion im Internet frei zugänglich gemacht.

humanbrainproject

Gehirn im Supercomputer

Die Simulation ist eine detaillierte Computerrepräsentation von etwa einem Drittel Kubikmillimeter Gehirngewebe. Die Wissenschafter simulierten das elektrische Verhalten dieses virtuellen Gewebes mit Supercomputern wie dem Blue Brain IV am Schweizerischen Supercomputing-Zentrum CSCS in Lugano.

"Die Studie belegt, dass es möglich ist, Gehirngewebe digital zu rekonstruieren und simulieren", schrieben Die Forscher von der EPFL. Beteiligt waren 82 Wissenschafter aus der Schweiz und sieben weiteren Nationen. Das vor zehn Jahren initiierte Blue Brain Project wird von der EPFL und dem Bund finanziert. Es ist der Simulationsteil des eine Milliarde Euro teuren "Human Brain Projects".

Die Simulation erforderte zehntausende Experimente an Neuronen und Synapsen – den Kontaktstellen der Neuronen, die elektrische Impulse übertragen – von jungen Ratten. Mit diesen Versuchen identifizierten die Forscher die Grundregeln, wie Neuronen im Mikroschaltkreis angeordnet und über Synapsen verbunden sind.

Sobald diese Rekonstruktion komplett war, simulierten die Forscher das Verhalten der Hirnzellen unter unterschiedlichen Bedingungen im Supercomputer. Dabei kamen erste, erstaunliche Resultate zustande, etwa dass die Anpassung eines einzigen Faktors wie dem Fluss von Kalzium-Ionen in den Synapsen bestimmte Aktivitätsmuster hervorbrachte.

Verhalten wie im Schlaf und Wachzustand

Bestimmte Simulationen führten nämlich zu Stößen von synchronisierter neuronaler Aktivität, ähnlich wie sie im Schlaf beobachtet werden. Das Senken der Kalziumniveaus in der Simulation führte zu asynchroner Aktivität, wie sie bei wachen Tieren auftritt. So etwas ließe sich nicht an einer einzigen Hirnzelle beobachten, betonen die Forscher.

Es müsse demnach zelluläre Mechanismen geben, die den Neuronenschaltkreis von einem Zustand zum anderen umschalten können, um die Rechenleistung für bestimmte Aufgaben anzupassen, erklärten die Forscher. Dies eröffne neue Möglichkeiten, Zustände wie Wachen oder Schläfrigkeit im gesunden Gehirn, aber auch bei Störungen wie etwa Epilepsie oder anderen Gehirnerkrankungen zu erforschen.

"Die Rekonstruktion ist ein erster Entwurf, sie ist nicht vollständig und noch keine perfekte digitale Nachbildung des biologischen Gewebes", berichtet Studienleiter Henry Markram von der EPFL. So fehlten wichtige Aspekte des Gehirns wie Strukturzellen, Blutgefässe oder Anpassungsstrategien. "Die Arbeit, das Gehirn zu rekonstruieren und zu simulieren, ist eine im großem Maßstab und muss in großen Kollaborationen stattfinden", sagte Markram. "Die Arbeit hat eben erst begonnen." (APA/red, 10.10.2015)

  • Ein buchstäblich winziger Zwischenschritt auf dem Weg zum simulierten menschlichen Gehirn: Das Modell repräsentiert ein nur 0,3 Kubikmillimeter großes Stück Gehirn – und doch umfasste es bereits 30.000 Hirnzellen und 40 Millionen Kontakte.
    illu.: epfl

    Ein buchstäblich winziger Zwischenschritt auf dem Weg zum simulierten menschlichen Gehirn: Das Modell repräsentiert ein nur 0,3 Kubikmillimeter großes Stück Gehirn – und doch umfasste es bereits 30.000 Hirnzellen und 40 Millionen Kontakte.

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