Die Gehirnversteher

Das hat es in der Geschichte der Forschungsförderung der EU noch nicht gegeben: eine Milliarde Euro für ein Forschungsprojekt, auf zehn Jahre angelegt und damit weit über den sonst üblichen Horizont hinaus. Das „Human Brain Project“ ist eines von zwei Vorhaben, das unter diesen einzigartigen Rahmenbedingungen läuft. Von einem „Flaggschiff“ spricht die Europäische Kommission und hegt hohe Erwartungen; es soll die „Wissenschaft über die Fiktion hinaus katapultieren“.

Knapp 300 Wissenschaftler aus 24 Ländern haben im Human Brain Project begonnen, das menschliche Gehirn detailgetreu, Zelle für Zelle, nachzubauen. Die Idee dazu hat der Schweizer Neurowissenschaftler Henry Markram von der Polytechnischen Hochschule in Lausanne angestoßen. Er leitet nun auch dieses Megaprojekt. Für ihn ist die realistische Hirnsimulation ein Muss und der Türöffner für eine Fülle neuer Technologien und Erkenntnisse.

Der Nachbau des menschlichen Gehirns im Computer soll grundlegende geistige Fähigkeiten erklären, etwa, warum wir sprechen oder was das Gehirn im Schlaf treibt. Aber auch, weshalb wir geisteskrank werden können. Es gibt über 500 neurologische Krankheiten wie verschiedene Formen der Demenz, Migräné oder Autismus. Bis heute sind sie allesamt nicht heilbar und schlagen alleine in der EU mit Kosten von 800 Milliarden Euro zu Buche. „Diesen Krankheiten können viele verschiedene Ursachen zu Grunde liegen. So kann eine Demenz auch bei einem bestimmten Gendefekt auftreten“, erklärt Markram. Der Strauß zugrunde liegender Kausalitäten verdeutlicht für ihn: „Wir haben die Krankheiten noch lange nicht verstanden.“

Der Blick ins virtuelle Gehirn soll nun die wahren Zusammenhänge offenlegen. Daraus ließe sich dann auch ablesen, wie Medikamente beschaffen sein müssen, damit sie wirklich heilen. „E-​Drugs“ nennt Henry Markram diese Generation von Arzneien, die in der Hirnsimulation maßgeschneidert werden. Indem individuelle Besonderheiten des Gehirns in die Software integriert werden, soll sogar eine elektronische personalisierte Medizin entstehen. In Markrams Augen ist es höchste Zeit dafür, denn: „Die Arzneimittelentwicklung für neurologische Erkrankungen steckt in einer Sackgasse. Die meisten Unternehmen entwickeln kaum noch neue Produkte. Für sie wird die Simulation des Gehirns einen echten Quantensprung bedeuten.“ Dank des virtuellen Gehirns werden die Kosten für die Medikamentenentwicklung von derzeit einer Milliarde Euro deutlich sinken, behauptet er.

Bisher haben die Neurowissenschaften gewaltige Datenberge angehäuft. Immer mehr Bildgebungsverfahren – von der Magnetresonanztomografie (MRT) bis zur Positronenemissionstomografie (PET) – gewähren Einblicke in das menschliche Gehirn. Und generieren dabei immer neue Informationen. „Jede Woche erscheinen Tausende neue Artikel in Fachjournalen, in Summe sind es fünf bis zehn Millionen Aufsätze“, erklärt Markram. Nun sei es an der Zeit, diese Daten zu konsolidieren und aus dem entstehenden großen Ganzen Neues zu lernen, findet er. Diese holistische Vision verkörpert seine Hirnsimulation.

Für Katrin Amunts, ebenfalls am Human Brain Project beteiligt, ist die Verschmelzung von der Neurologie mit der Informations– und Kommunikationstechnik zwangsläufig. „Wir werden in den nächsten Jahren das Gehirn viel besser verstehen, aber nur, wenn wir die Neuroinformatik zur Datendurchforstung nutzen“, sagt die Hirnforscherin an der Universität Düsseldorf. Die Ausbeute aus den Datenbergen, gewonnen mit modernen Methoden der IT, dem sogenannten Data-​Mining, soll das Fundament bilden, auf dem die Hirnsimulation errichtet wird. Denn aus den konsolidierten Informationen wollen die Forscher allgemeine Funktionsprinzipien des Denkorgans ableiten.

Um bis zu eine Billion Nervenzellen und deren Eigenschaften im Computer naturgetreu nachzubilden, braucht es allerdings zunächst einen großen Wurf in der Informationstechnik. Denn bisherige Supercomputer leisten nur ein Tausendstel dessen, was nötig wäre. Das Forschungszentrum Jülich, einer der wichtigsten deutschen Partner im Human Brain Project, will deshalb eigens einen Rekordrechner für die Hirnsimulation bauen, in dem mehrere Supercomputer miteinander verknüpft werden.

Doch mittelfristig wollen die Computerwissenschaftler den Trend zu immer gigantischeren Rechenmaschinen, die ganze Hallen füllen, durchbrechen und dem Gehirn nacheifern. Das ist nämlich im Vergleich dazu extrem kompakt und braucht nur wenig Platz. „Es kann lernen, reagieren, sich ohne Software konfigurieren. Und es ist enorm fehlertolerant“, schwärmt Karlheinz Meier, Physiker der Universität Heidelberg. Das Organ kann sogar die Hälfte seiner Neurone einbüßen und versagt nicht vollständig. „Das Spektakulärste ist aber der extrem geringe Energieverbrauch von 30 Watt.“ Moderne Rechenmaschinen benötigen dagegen mehrere Megawatt, so dass man bald ein Atomkraftwerk daneben stellen müsse – „undenkbar“, so Meier.

„Das Vorbild Gehirn ist der einzig mögliche Leitgedanke für die IT der Zukunft“, bringt es Alois Knoll von der Technischen Universität München auf den Punkt. Seine Arbeitsgruppe entwickelt bereits so genannte neuromorphe Computerchips, deren Schaltkreise der Architektur des Gehirns entlehnt sind. Sie sollen nicht wie bisherige Chips auf jedes Eingangssignal gleichförmig mit einem Ausgangssignal reagieren, sondern wie das Gehirn zur „Signal-​Zeit-​abhängigen Plastizität“ fähig sein: Abhängig vom zeitlichen Muster eingehender Signale wird ein Signal ausgesandt – oder eben auch nicht. Solche Chips sollen künftig Robotern etwa im Haushalt menschenähnliche Intelligenz einverleiben, aber auch die Elektronik in Geräten und Fahrzeugen robuster und leistungsfähiger machen. Vollmundig behauptet das Konsortium des Human Brain Projects in seinem Bericht an die Europäische Kommission: „Wenn die Europäische Wirtschaft 2020 und 2030 eine führende Rolle spielen will, muss sie die Führung in der Entwicklung dieser Technologie übernehmen.“

Es gibt viele Forscher, die das Gehirn im Computer nachbilden, und damit längst eine ganze Disziplin der Computational Neuroscience. Manch einer ihrer Protagonisten fühlt sich auf den Schlips getreten, dass Henry Markram nun die ultimative Simulation für sich beansprucht. Er aber grenzt sich ab von den Ansätzen seiner Kollegen. Im Unterschied zu diesen will er dem virtuellen Gehirn keine einzige Annahme zugrunde legen, keine Vereinfachungen und keine Hypothesen. Es wächst quasi von klein auf, Zelle für Zelle, naturgetreu. Dafür analysiert Markrams Mitarbeiterstab, knapp fünfzig Personen, Schicht für Schicht die Neuronen im Rattengehirn. In einer Apparatur von der Größe eines Computers, dem sogenannten Patch-​Clamp-​Verstärker, messen sie die elektrischen Potenziale von zwölf Nervenzellen gleichzeitig. Andere Mitarbeiter fixieren Neuronen auf einem daumenbreiten Glasträger und färben sie an. Mithilfe eines 3D-​Mikroskops übertragen sie die Gestalt jeder einzelnen Zelle in den Computer. Jeder noch so winzige Zellfortsatz wird erfasst, jeder Ionenkanal übernommen. Diese Daten entsprechen einer Signatur der Zelle, die „wir in mathematische Gleichungen übersetzen“, erklärt Neuroinformatiker Martin Telefont.

Eingedenk der rund 86 Milliarden menschlicher Neuronen im Kopf könnte Markrams Team mit dieser Patchworkstrategie lange beschäftigt sein. Doch die Forscher leiten aus der wachsenden Simulation, aus Veröffentlichungen und aus ihren eigenen Experimenten einfache neuronale Bauprinzipien ab. So fanden sie heraus: Haben zwei Neuronen zwei gemeinsame Zellen zum Nachbarn, sind beide immer auch direkt miteinander verknüpft, wie sie im Februar 2013 im Journal Frontiers of Neuroanatomy darlegen. Über solche Regeln ergeben sich viele Eigenschaften des Gehirns von selbst. Für Markram ist das nicht verwunderlich: „Es funktioniert nicht nach komplexen Regeln, sondern nach wenigen einfachen. Sonst wäre es nicht so robust.“ Und mit jeder Regel, die sein Team entdeckt, „kommen wir mit dem Aufbau der Simulation immer schneller voran“. Eine sich beschleunigende Patchworktaktik sozusagen.

Schon seit 2005 verfolgt Markram den Nachbau des Gehirns im sogenannten Blue Brain Project. Damals fing er mit einem Abschnitt aus dem Cortex der Ratte an, der so genannten cortikalen Säule. Diese umfasst 10.000 Neuronen in einem senkrechten Segment der Hirnrinde. Das Blue Brain Project ist gewissermaßen die kleine Schwester des Human Brain Projects. Mittlerweile hat Markrams Team angeblich schon 36 cortikale Säulen und dementsprechend eine Million Neuronen und eine Billion Synapsen in Rechnern untergebracht.

Doch mit dem Blue Brain Project hat sich Markram nicht nur Freunde gemacht. Einer seiner ärgsten Kritiker ist ausgerechnet einer seiner einstigen Lehrmeister, Rodney Douglas von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich. Er führte den jungen Markram an die Neurowissenschaften heran. Heute kritisiert Douglas seinen populären Schüler scharf: Markram habe im gesamten Blue Brain Project nichts Aussagekräftiges veröffentlicht. Seine Verheißungen seien deshalb wie ein „Auto ohne Räder“.

Er spielt damit auch darauf an, dass Markram eine Reihe seiner Ergebnisse zwar bildreich interpretiert, aber seine Sichtweise nicht in angesehenen Fachjournalen zur Diskussion stellt. Und, noch schwerwiegender, einige seiner Erkenntnisse widersprechen der herrschenden Lehrmeinung. So behauptet Markram, der Mensch komme „mit angeborenem Wissen“ zur Welt, das in „legoähnlichen Bausteinen“ – stabilen Verbänden aus rund einem Dutzend Nervenzellen – gespeichert sei. Das ist seine Lesart einer Studie, die er 2011 im Journal PNAS veröffentlicht hat. Dass das Gehirn schon bei der Geburt Informationen beherbergt, „ist Konsens“, entgegnet der renommierte Hirnforscher Wolf Singer vom Max-​Planck-​Institut für Hirnforschung in Frankfurt. An legoähnliche Speichermedien im Kopf glaubt er aber nicht: „Das angeborene Wissen ist in den Genen fixiert und drückt sich dann in den Strukturen des Gehirns aus.“ Markram misst seinen Legosteinen aber eine noch größere Bedeutung bei. Er glaubt sogar, dass Wahrnehmungen und Gedächtnisinhalte in diesen Steine verortet sind. „Jeder hat eine einzigartige Burg aus Legosteinen im Kopf: Das ist unsere individuelle Geschichte.“ Singer glaubt indes, dass das Gedächtnis in der gesamten Architektur des Gehirns begründet liegt.

Markram ist ein Querdenker. Aber bisher hat er alle Gutachter von der Brillanz seiner Idee einer gigantischen Hirnsimulation überzeugen können – auch die Skeptiker. Das war kein Handstreich. Vor der Jury der Europäischen Kommission hat er sich gegenüber Hunderten Konkurrenten durchgesetzt.

zum Weiterlesen:

• Infoseite des Human Brain Projects, URL: http://​www​.human​brain​pro​ject​.eu/ [Stand: 08.05.2013]; zur Webseite
• Donner, Susanne: Markrams Milliardenspiel. Bild der Wissenschaft 5/​2012, S. 40 (zum Text)
• The Human Brain Project Consortium: The Human Brain Project. A report to the European Commission. April 2012, URL: http://​www​.human​brain​pro​ject​.eu/​f​i​l​e​s​/​H​B​P​_​f​l​a​g​s​h​i​p.pdf [Stand: 08.05.2013]; (zur Website)
• Markram, H, Perin, R: Innate neural assemblies for Lego memory. Frontiers in Neural Circuits, Mai 2011, 5 (6), 1 – 2 (zum Abstract).
• Perin, R et al: A synaptic organizing principle for cortical neuronal groups, Proc. Natl. Acad. Sci., März 2011, 108 (13), 5419 – 5424 (zum Abstract).
• Markram, H et al.: Statistical connectivity provides a sufficient foundation for specific functional connectivity in neocortical neural microcircuits. Proc Natl Acad Sci, Okt 2012, 109 (42) (zum Abstract).
• Perin, R et al: Computing the size and number of neuronal clusters in local circuits, Front Neuroanat., Feb 2013,7(1) (zum Abstract).