Science
21.12.2015

Forscher auf dem Weg zum digitalen Rattenhirn

Europäischen Wissenschaftlern ist es gelungen, die Verschaltung eines Rattenhirn-Stücks detailgetreu virtuell zu rekonstruieren.

Im Rahmen des milliardenschwere EU-Forschungsprojekts Blue Brain haben Forscher 0,3 Kubikmillimeter des Gehirns einer jungen Ratte detailgetreu in einem digitalen Modell rekonstruiert. Die Gehirnregion, die nachgebildet wurde, ist Teil des somatosensorischen Kortex, der für die Verarbeitung von Tastsinneseindrücken zuständig ist. “Wir haben zehn Jahre für die digitale Rekonstruktion und die Prüfung des Modells gebraucht. Berücksichtigt man auch das Sammeln der nötigen Daten im Labor, stecken fast 20 Jahre Arbeit in dem Modell”, sagt Sean Hill, ein beteiligter Forscher von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne, gegenüber der futurezone. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Cell veröffentlicht.

Die Arbeit basiert unter anderem auf Aufzeichnungen der elektrischen Aktivität von 14.000 individuellen Gehirnzellen, die in 207 verschiedene Typen eingeteilt werden können. Das virtuelle Gehirnstück besteht aus 31.000 Neuronen, die durch 37 Millionen Synapsen acht Millionen Verbindungen ausbilden, die Verschaltung wurde beruhend auf experimentellen Daten vom Computer errechnet. “Zur Rekonstruktion haben wir einen BlueGene/Q Supercomputer von IBM verwendet”, erklärt Hill. Die komplexe Verschaltung der Zellen kann nur mit enormer Rechenleistung digital abgebildet werden. “Wir haben Daten unseres Labors und anderer Forschungseinrichtungen mit Informationen aus der Literatur kombiniert, um ein mathematisches Modell dieses neokortikalen Schaltkreises zu erstellen. Wir errechnen die elektrische Aktivität auf Basis von Synapsen-Interaktionen im gesamten Netzwerk, um das emergente Verhalten des Netzwerks vorherzusagen”, sagt Hill.

Emergentes Bewusstsein?

Das Computer-Modell erfasst lediglich die verschiedenen Zell- und Synapsentypen sowie deren elektrische Eigenschaften und Verbindungen, das Verhalten des Netzwerks im Ganzen ergibt sich aus diesen Informationen. “Derzeit nutzen wir das Modell, um Hypothesen zur kortikalen Funktionsweise und möglichen Störungen zu testen. Gleichzeitig dient es als Basis für zukünftige Experimente”, erklärt Hill. Mit dem Modell konnten viele der Messergebnisse, die in der Vergangenheit in lebenden Tieren oder Zellkulturen erfasst wurden, rekonstruiert werden. Das Modell ist allerdings noch weit entfernt von einer perfekten Simulation, da manche Zeltypen und Blutgefäße nicht berücksichtigt wurden und viele experimentelle Daten noch fehlen.

Längerfristig soll eine digitale Rekonstruktion eines kompletten Rattenhirns entstehen, das wird allerdings noch dauern. “Wir gehen das Schritt für Schritt an. Unser nächstet Ziel ist, einen groben Entwurf eines Mäusegehirns zu erstellen und diesen mit allen erforschten Neuronen zu bevölkern, inklusive der Verbindungen. Das wird die Basis für die detaillierte Ausgestaltung einzelner Schaltkreise dienen, die wir mit Partnern und der wissenschaftlichen Community angehen werden”, sagt Hill.

So soll nach und nach Infrastruktur entstehen, die es erlaubt, alles Wissen und verfügbare Daten über das Gehirn in ein Gerüst zu integrieren. Dann können Modelle und Simulationen verwendet werden, um Hypothesen zu testen und neue Theorien zu entwickeln. Von der Rechenleistung her wäre es heute bereits möglich, ein komplettes Mäusegehirn auf Zellebene in einem Supercomputer zu simulieren. Ob ein solches Modell ein eigenes Bewusstsein entwickeln könnte, ist strittig. “Es gibt verschiedene Theorien über Bewusstsein, die wir mit unseren Modellen testen werden. Der einfachste Test ist wohl zu sehen, wie das Modell grundlegende Phänomene wie neuronale Aktivität und Reaktionen in Zuständen, die einem schlafenden oder wachen Gehirn entsprechen, nachbilden kann. Das ist Teil unserer fortlaufenden Forschung”, sagt Hill. Vom großen Ziel der Human Brain Project, ein menschliches Gehirn im Computer zu simulieren, sind die Forscher heute noch weit weg. Dafür müssten zwischen 80 und 100 Milliarden Nervenzellen samt ihren Verbindungen dargestellt werden.

Intelligente Maschinen

Die Ergebnisse des Blue Brain Projekts sollten längerfristig zu Fortschritten im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) führen. “Viele der Erfolge auf dem Gebiet wurden durch das Nachahmen von grundlegenden Aspekten des Nervensystems erreicht, wenn auch auf einer sehr abstrakten Ebene. Ich glaube, dass das bessere Verständnis der Struktur und der Funktion des Nervensystems uns helfen wird, fähigere KI-Systeme zu erschaffen”, sagt Hill. Ob solche Systeme im menschlichen Sinn intelligent sein können, bleibt fraglich. “Ich glaube, es ist möglich, dass wir eines Tages Maschinen bauen werden, die intelligenter sind als wir. Mit selbstfahrenden Autos sehen wir ja schon erste Ansätze, auch wenn strittig ist, ob diese Systeme intelligent sind. Wie lange es dauern wird, bis alle Aspekte der kognitiven Fähigkeiten eines Menschen von Maschinen nachgeahmt werden können, bleibt abzuwarten”, sagt Hill.

Einige Kritiker sind der Auffassung, dass ein Gehirn mit heutigen Mitteln nicht im Computer nachgebildet werden kann. Sie sehen im Rattenhirnmodell eine vereinfachte Darstellung, die keine Rückschlüsse auf ein echtes Hirn erlaubt. Hauptargument der Gegner ist, dass wir schlicht noch zu wenig über die Funktionsweie des Gehirns wissen, um aussagekräftige digitale Modelle anzufertigen.