Ein funktionierendes Gehirnmodell

Ein ehrgeiziges Projekt zur Erstellung eines genauen Computermodells des Gehirns hat einen beeindruckenden Meilenstein erreicht. Schweizer Wissenschaftler, die mit IBM-Forschern zusammenarbeiten, haben gezeigt, dass ihre Computersimulation der neokortikalen Säule, dem wohl komplexesten Teil des Gehirns eines Säugetiers, sich wie sein biologisches Gegenstück zu verhalten scheint. Diese Ergebnisse zeigen, dass ihre Simulation realistisch ist, sagen die Forscher, dass ein vollständiges Säugetiergehirn innerhalb von drei Jahren und ein menschliches Gehirn innerhalb des nächsten Jahrzehnts vollständig modelliert werden könnte.



Gehirnleistung: Diese Darstellung zeigt die Konnektivität der 10.000 Neuronen und 30 Millionen Verbindungen, die eine einzige neokortikale Säule bilden. (Die verschiedenen Farben entsprechen unterschiedlichen Graden der elektrischen Aktivität.) Nachdem die Wissenschaftler ein biologisch genaues Computermodell einer neokortikalen Säule erstellt haben, planen sie nun, das gesamte menschliche Gehirn innerhalb von nur 10 Jahren zu modellieren.

Was wir tun, ist ein Reverse-Engineering des Gehirns, sagt Henry Markram , Co-Direktor des Brain Mind Institute an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz, der die Arbeit leitete, nannte die Blaues Gehirn Projekt, das 2005 begann. (Siehe IBM: The Computer Brain .) Durch die Nachahmung des Verhaltens des Gehirns bis hin zu einzelnen Neuronen wollen die Forscher ein Modellierungswerkzeug entwickeln, mit dem Neurowissenschaftler Experimente durchführen, Hypothesen testen, und die Wirkung von Medikamenten effizienter analysieren, als dies mit echtem Hirngewebe möglich wäre.





Das Modell eines Teils des Gehirns wurde letztes Jahr fertiggestellt, sagt Markram. Aber jetzt, nach umfangreichen Tests, in denen sein Verhalten mit Ergebnissen aus biologischen Experimenten verglichen wurde, ist er zufrieden, dass die Simulation so genau ist, dass die Forscher mit dem Rest des Gehirns fortfahren können.

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Es ist eine erstaunliche Arbeit, sagt Thomas Serre , einem Forscher für Computerneurowissenschaften am MIT. Dies wird wahrscheinlich einen enormen Einfluss auf die Neurowissenschaften haben.

Das Projekt begann mit dem ursprünglichen Ziel, die 10.000 Neuronen und 30 Millionen synaptischen Verbindungen zu modellieren, die die neokortikale Säule einer Ratte bilden, den Hauptbaustein des Kortex eines Säugetiers. Als Ausgangspunkt wurde die neokortikale Säule gewählt, da sie allgemein als besonders komplex gilt, mit einer heterogenen Struktur, die aus vielen verschiedenen Arten von Synapsen und Ionenkanälen besteht. Es macht keinen Sinn, davon zu träumen, das Gehirn zu modellieren, wenn man nicht einen kleinen Teil davon modellieren kann, sagt Markram.



Das Modell selbst basiert auf experimentellen Daten aus 15 Jahren zu neuronaler Morphologie, Genexpression, Ionenkanälen, synaptischer Konnektivität und elektrophysiologischen Aufzeichnungen der neokortikalen Säulen von Ratten. Anschließend wurden Softwaretools entwickelt, um diese Informationen zu verarbeiten und automatisch physiologisch genaue 3D-Modelle von Neuronen und ihren Verbindungen zu rekonstruieren.

Verbinde die Punkte: Eine Darstellung einer neokortikalen Säule von Säugetieren, dem Grundbaustein des Kortex. Die Darstellung zeigt die Komplexität dieses Teils des Gehirns, die nun mit einem Supercomputer modelliert wurde.
Kredit: BIP/EPFL

Die neuronalen Schaltkreise wurden getestet, indem spezifische Eingangsreize simuliert und das Verhalten der Schaltkreise im Vergleich zu denen in biologischen Experimenten untersucht wurde. Wo Wissenslücken darüber auftraten, wie sich bestimmte Teile des Modells verhalten sollten, gingen die Wissenschaftler zurück ins Labor und führten Experimente durch, um herauszufinden, welche Verhaltensweisen reproduziert werden mussten. Tatsächlich widmete sich etwa ein Drittel des 35-köpfigen Forscherteams der Durchführung solcher Experimente, sagt Markram.

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Durch einen iterativen Testprozess wurde die Simulation nach und nach so weit verfeinert, dass Markram überzeugt ist, dass sie sich wie eine echte neokortikale Säule verhält.



Keines dieser Ergebnisse wurde jedoch bisher in der von Experten begutachteten Literatur veröffentlicht, sagt Christof Koch , Professor für Biologie und Ingenieurwissenschaften am Caltech. Und dies sei keineswegs das erste Computermodell des Gehirns, betont er. Dies sei eher ein evolutionärer als ein revolutionärer Prozess, sagt er. Bereits 1989 erstellte Koch eine 10.000-Neuronen-Simulation, wenn auch in einem viel einfacheren Modell.

Darüber hinaus ist Koch skeptisch, wie schnell das Gehirnmodell voranschreiten kann. Alle Behauptungen, das menschliche Gehirn könne innerhalb von 10 Jahren modelliert werden, seien so lächerlich, dass es keine Diskussion wert sei, sagt er.

Rattenhirne haben etwa 200 Millionen Neuronen, während menschliche Gehirne etwa 50 bis 100 Milliarden Neuronen haben. Das ist ein großes Scale-up, gibt Markram zu.

Aber er ist zuversichtlich, dass sein Modell robust genug ist, um unbegrenzt erweitert zu werden. Darüber hinaus ist er der Meinung, dass auch der Detaillierungsgrad des Modells weitergeführt werden kann. Es hat eine ziemlich hohe Auflösung, sagt er. Es ist immer noch auf zellulärer Ebene, aber wir wollen auf molekularer Ebene schauen. Auf diese Weise könnten simulationsbasierte Medikamententests durchgeführt werden, indem gezeigt wird, wie bestimmte Moleküle Proteine, Rezeptoren und Enzyme beeinflussen.

Es würde mich nicht wundern, wenn sie das schaffen würden, sagt Serre. Es sei jedoch nicht klar, was sie daraus machen könnten, sagt er. Wenn dieses Modell nützlich sein soll, müssen Sie verstehen, wie das Verhalten mit bestimmten Gehirnfunktionen zusammenhängt. Bisher sei nicht klar, dass das Blue Brain-Projekt dies getan habe, sagt er.

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