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Bild: Blue Brain Project / EPFL © 2005 – 2017. All rights reserved
Hier wird die Komplexität des Gehirns dargestellt. Das Bild zeigt drei Hauptkomponenten, die innerhalb des Neokortex (der am stärksten entwickelte Teil eines Säugetiergehirns) miteinander interagieren: Blutgefässe, Astrozyten (Sternzellen) und Neuronen.
Bild: Blue Brain Project / EPFL © 2005 – 2017. All rights reserved
Ein Blick aus dem Inneren des Neokortex auf das hochorganisierte neuronale Netzwerk.

Henry Markram Blue-Brain-Projekt
Text: Redaktion ceo Magazin/Bilder: Alain Herzog / EPFL; Blue Brain Project / EPFL All rights reserved

Das virtuelle Gehirn

Wie kommt man den Geheimnissen unseres Denkapparats auf die Spur und verbessert so die Behandlung von Hirnkrankheiten? Genau daran arbeitet der Neurologe Professor Henry Markram im Rahmen seines Blue-Brain-Projekts seit über zehn Jahren. Und ist überzeugt, dass dies mit Experimenten und Theorien allein nicht gelingen wird.

«Ich will, dass wir das Gehirn verstehen – und zwar noch zu meiner Lebzeit.»

Noch stellt das menschliche Gehirn eines der grössten Geheimnisse der Menschheit dar. Von aussen eine unspektakuläre graubeige, weiche Masse, bei einem Erwachsenen im Schnitt gut 1,5 Kilogramm schwer. Doch was sich darin abspielt, ist faszinierend: über 100 Milliarden Nervenzellen kommunizieren ständig miteinander, bilden Netzwerke und synaptische Verbindungen, verändern sie wieder, wenn eine andere Funktion gefragt ist – und dies alles in wenigen Millisekunden. Das Organ steuert sämtliche Körper­funktionen, in ihm entstehen Gedanken und Gefühle, das menschliche Bewusstsein. «Das Gehirn ist ein dynamisches Netzwerk von Netzwerken, das auf und zwischen mehreren Ebenen gleichzeitig arbeitet», erklärt Henry Markram. Er ist Professor für Neuro­wissen­schaft an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Direktor des Laboratoriums für neurale Mikrotechnik (LNMC) sowie Gründer und Direktor des Blue-Brain-Projekts.

Das 2005 im Brain-Mind-Institut der EPFL lancierte Projekt hat zum Ziel, genaue, biologisch detaillierte digitale Rekon­struktionen und Simulationen des Gehirns von Nagetieren zu erstellen und dies letztlich auch für menschliche Gehirne zu erschaffen.

Um dies zu erreichen, verfolgt der 55-jährige Hirnforscher einen ganz eigenen Ansatz. «Es braucht eine neue Strategie, denn allein mit Experimenten werden wir das Gehirn nie verstehen», ist er überzeugt. Man könne gar nicht genügend Versuche durchführen angesichts der unkalkulierbaren Zahl an Reaktionen, die im Gehirn ablaufen. Hinzu kommt, dass die Wissenschaftler, ausser im Falle einer Operation, keinen Einblick in ein funktionierendes Gehirn erhalten. Daher weiss man auch nach jahrzehntelanger Forschung erst sehr wenig über das komplexe Denkorgan.

«Allein mit Experimenten werden wir das Gehirn nie verstehen.»

Ein Puzzle mit einer Billion Teilen

Der gebürtige Südafrikaner Markram setzt deshalb auf Simulationen – eine Strategie, die auch in anderen Wissenschafts­zweigen erfolgreich angewendet wird. Mithilfe eines Superrechners entwickeln er und sein Team von Wissenschaftlern, Software-Ingenieuren und -Entwicklern, Technikern und Forschern ein Verfahren zur Assimilierung aller Daten und des vorhandenen Wissens über das Gehirn. Damit bauen sie ein Computer­­modell, mit dem sich die Funktionen des Denkapparats simulieren lassen. In einer ersten Phase konzentrierten sich die Forscher auf eine nur wenige Millimeter hohe, verzweigte Struktur aus Tausenden von Nervenzellen: eine neokortikale Säule aus der Hirnrinde einer Ratte. Aus diesen Kleinsteinheiten des Tierhirns soll am Ende das gesamte Organ und später auch das Gehirn des Menschen modelliert werden.

Dabei nutzen die Forscher bereits publizierte wissen­schaftliche Daten und Fakten über das Gehirn und integrieren diese im Modell. Daraus leiten sie Regeln ab und berechnen so den Aufbau des Denkapparats sowie die möglichen Reaktionen der einzelnen Zellen. Markram vergleicht dies mit einem Puzzle, das aus einer Billion Teilen besteht, von dem man aber nur gut 1000 kenne. «Normalerweise kann man so ein Puzzle gar nicht zusammen­setzen. Wenn man aber die Regeln und Abhängigkeiten zwischen den Teilen heraus­finden kann, dann lässt sich selbst dieses gigantische Puzzle lösen.»

Misserfolg führt zu Erkenntnis

Anhand von Resultaten aus bereits getätigten Experimenten prüfen Markram und sein Team die so abgeleiteten Regeln auf ihre Richtigkeit hin. Rund 100’000 wissen­schaftliche Publikationen, die weltweit jährlich veröffentlicht werden, ziehen sie dafür hinzu. Halten die abgeleiteten Regeln diesem Test stand, ist es für die Wissenschaftler eine Bestätigung, dass die zugrunde liegenden Annahmen zutreffen. Allerdings ist auch ein negativer Ausgang für sie interessant. «Wenn etwas nicht wie erwartet funktioniert, dann bewegen wir uns entlang der Grenzen unseres Wissens», sagt Markram. «Bei einem Misserfolg können wir unsere Annahmen systematisch überprüfen. Wir lernen, wenn wir scheitern.»

Annähernd 100 verschiedene Publikationen veröffentlichte das Blue-Brain-Projekt in den vergangenen zehn Jahren. Einen Höhepunkt dieses Schaffens stellte ein erster Entwurf einer Rekonstruktion neokortikaler Mikrotechnik dar. Bei der Rekonstruktion handelt es sich um eine detaillierte Kopie eines kleinen Teils des Neokortex einer Ratte. Dieser Teil ist der am weitesten entwickelte Bereich des Gehirns: Er misst etwa 1/3 Kubikmillimeter und hat 31’000 Hirnzellen, die über 40 Millionen Verbindungen miteinander verbunden sind. Inzwischen arbeiten die Forscher allerdings bereits an grösseren Hirnregionen. Ende des laufenden Jahres soll die nächste digitale Rekonstruktion erfolgen: der für Berührungen zuständige Bereich des Gehirns. Und bis im Jahr 2023 hat das Team das Gehirn der Maus mit rund 600 Gehirnregionen im Visier. Doch damit nicht genug: Parallel dazu baut es bereits an einem kleinen Teil des menschlichen Neokortex.

Im Vordergrund steht das Wissen

Genau dies war die Vision, als Henry Markram das Blue-Brain-Projekt 2005 ins Leben rief. «Ich will, dass wir das Gehirn verstehen – und zwar noch zu meiner Lebzeit und nicht erst in jener meiner Grosskinder», sagt er. Herauszufinden, wie das Hirn das eigene Empfinden und jenes gegenüber der Umwelt prägt, treibt ihn an. Hinzu kommt eine persönliche Betroffenheit, ist er doch Vater eines autistischen Sohnes. «Selbst als Neurologe fühle ich mich machtlos», sagt er. Zumal bei der Heilung von Hirn­krankheiten heute noch sehr viel vom Glück abhängt. «Es wird viel ausprobiert. Wenn etwas wirkt, dann entsteht daraus ein Milliarden-Unternehmen, ansonsten fängt man wieder bei null an.» Das Computermodell des Gehirns soll hierzu Grundlagen liefern und die Versuche verbessern. So könnte das Blue-Brain-Projekt beispielsweise dabei helfen, besonders verletzliche Orte im Gehirn auszumachen und die strategisch wichtigsten Areale zu lokalisieren. «Wer Hirn­krankheiten behandeln will, muss wissen, wie das Gehirn funktioniert», sagt der Projektleiter. In Zukunft erhofft sich Markram, dass dank Simulationen am Computermodell die bisher bekannten 600 Hirnkrankheiten eingedämmt werden können.

Künstliche Intelligenz profitiert

Die Berechnungen für das Modell führt der Supercomputer Blue Brain IV IBM BG/Q durch. Bereits steht die nächste Generation vor der Tür, die noch mehr Rechenleistung bringt. Dass solche Supercomputer dereinst selber zu denken beginnen, gehört laut Markram ins Reich der Science Fiction – zumindest für die nächsten 100 Jahre. Vereinfachte Erkenntnisse aus dem Projekt könnten dagegen schon früher Einzug in den Alltag halten und den Forschungsbereich der künstlichen Intelligenz massgeblich beeinflussen. «Das Gehirn arbeitet viel effizienter, schneller und weniger datenintensiv als die heutigen Computer­netzwerke», so Markram. In den kommenden Jahren soll es aus dem Projekt zu mehreren Spin-offs im Bereich der künstlichen Intelligenz kommen.

Dass das ambitiöse Projekt hierzulande angesiedelt ist, führt Markram auf die guten Rahmenbedingungen zurück, die ihm hier geboten werden. Besonders das Bekenntnis zum Blue-Brain-Projekt und dessen Vision durch den ETH-Rat und selbst vonseiten des Bundesrats, war eine Voraussetzung, um diese langfristige Forschung in der Schweiz zu starten. «Unser Team ist sehr interdisziplinär. Die Leute müssen sich viel Wissen in einem für sie teilweise fremden Fachgebiet aneignen, um das ganze Modell zu verstehen», erklärt Markram. Für die Schweiz soll sich ihr Engagement lohnen. «Dank ihrer Führungsrolle im Projekt wird sie in einer Schlüsselposition sein, wenn es darum geht, neue Behand­lungen für das Gehirn zu entwickeln», sagt Markram. Eine positive Wirkung erhofft er sich auch für die Informatik und die Kommunikations­technologien.

Bis dahin dürfte nicht mehr allzu viel Zeit vergehen, ist zumindest der Hirnforscher überzeugt. Die Probleme, die es zu bewältigen gäbe, seien klar definiert: «Wenn unsere Finanzierungsperiode 2023 zu Ende geht, werden wir sicherlich eine detaillierte Simulation eines Mäusehirns präsentieren können und eventuell auch ein Modell des menschlichen Gehirns in geringerer Auflösung», so Markram. Auf dem Weg dorthin dürften er und sein Team sicher noch sehr viele erstaunliche Dinge über das Hirn entdecken.

Henry Markram

Henry Markram (55) ist Gründer des Brain-Mind-Instituts, des Blue-Brain-Projekts und des Human-Brain-Projekts der EU, welche alle ihr Hauptquartier bei der EPFL haben. Der gebürtige Südafrikaner studierte Medizin und Neuro­physiologie in Kapstadt. Anschliessend emigrierte er nach Israel und erlangte sein Doktorat am Weizmann-Institut. Seine postdoktorale Arbeit verfasste Markram am National Institute for Health in den USA sowie am Max-Planck-Institut für medi­zinische Forschung in Heidelberg. Der Hirnforscher ist verheiratet und Vater von fünf Kindern. Mit seiner Ehefrau ist er zudem in der Autismusforschung tätig und Mitgründer von Frontiers – eines der mittlerweile grössten Open-Access-Verlagshäuser für wissenschaftliche Publikationen.

Blue-Brain-Projekt

Das Ziel des Blue-Brain-Projekts besteht darin, genaue, biologisch detaillierte digitale Re­kon­struk­tionen und Simula­tionen des Gehirns von Nagetieren zu erstellen und dies letztlich auch für menschliche Gehirne zu erreichen. Die im Super­computer errechneten Rekonstruktionen und Simulationen von Blue Brain bieten der Wissenschaft einen neuartigen Ansatz zum Verständnis der Mehr­­­ebenen­­struktur und der Funktionen des Gehirns.

bluebrain.epfl.ch