Wie macht man Computer zu Gehirnen?

Von: Axel Borrenkott
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Das komplexeste aller Systeme:
Das komplexeste aller Systeme: 100 Milliarden Nervenzellen sind im menschlichen Gehirn durch Faserbahnen - wie im Bild angedeutet - selbstorganisiert vernetzt. Diese Eigenschaften machen es jedem Computer überlegen. Wenn die Europäische Kommission das Human Brain Project genehmigt, dürfen Top-Forscher in den nächsten zehn Jahren eine Milliarde Euro ausgeben, um Rechner vom Gehirn lernen zu lassen. Foto: FZ Jülich

Jülich. Man muss es schon etwas größenwahnsinnig nennen, um die Dimension dieses Vorhabens einigermaßen erfassen zu können: Das Forschungszentrum Jülich will das menschliche Gehirn nachahmen. Nicht allein, natürlich, doch maßgeblich beteiligt an einem Verbund führender europäischer Wissenschaftler, die dafür eine Milliarde Euro ausgeben dürfen - wenn sie den Zuschlag bekommen.

Das Human Brain Project ist eines von sechs visionären Großprojekten, aus denen die Europäische Kommission im kommenden Frühjahr zwei auswählt, die dann für zehn Jahre als gigantische „Forschungs-Flaggschiffe” zu unbekannten Ufern aufbrechen können. Wenn sie dereinst ankommen sollten, könnte das die Informationstechnik, die Medizin und die Technologie insgesamt in einer Weise umwandeln, die man sich noch kaum vorstellen kann.

Wie visionär, wie kühn, wie ambitioniert dieses Vorhaben ist, zeigt sich schon an dem schlichten Umstand, dass man noch längst nicht verstanden hat, wie das Gehirn im Wesentlichen funktioniert. So hatte der rasante Aufschwung der Hirnforschung seit den 1990er Jahren zwar zu so grundlegenden Erkenntnissen geführt, dass es keine einzelnen Zentralen im Gehirn gibt, die seine Leistungen steuern.

Komplexer als alles andere

Man weiß nun, dass sich die Hirnregionen mit ihren hundert Milliarden Nervenzellen selbst organisieren, vernetzen und koordinieren - um in einer ungeheuer komplexen Weise die Körperfunktionen zu regulieren, die Welt wahrzunehmen und sich zu ihr zu verhalten. Wie es das aber macht, ist sein Geheimnis. Kann der Mensch versuchen, es zu ergründen, darf er es?

Das Gehirn kann Schäden selbst reparieren, in „Echtzeit” auf ein riesiges Gedächtnis zurückgreifen, mit unvollständigen Daten Entscheidungen treffen, es kann erfinden. Nur das Gehirn kann denken. Diese Fähigkeiten unterscheidet das Gehirn fundamental von allen anderen komplexen Systemen in der Natur, allenfalls in ihrer Tragweite und Komplexität vergleichbar mit den Prozessen bei der Entstehung des Universums.

Und es braucht dafür nicht mehr als 20 Watt. Das Gehirn ist somit unendlich leistungsfähiger und auch energieeffizienter als jeder Computer. „Es wäre bereits ein gigantischer technologischer Fortschritt, auch nur einige wenige dieser Fähigkeiten erreichen zu können”, so auf der Homepage des Human Brain Projects (HBP) (http://www.humanbrainproject.eu).

Noch gar nicht verstanden

Es geht nicht im wörtlichen Sinne um einen Nachbau des Gehirns, sondern um die „biologisch detailgetreue” Simulation seiner Funktionen und Prinzipien. Ein Computer, der all das kann, was Computer heute eben nicht können. „Das große Ziel ist es, auf einem Rechner das Modell eines menschlichen Gehirns zu simulieren”, sagt Thomas Lippert.

Der Chef des Jülicher Supercomputing-Zentrums ist einer von vier Kodirektoren des HBP und damit an vorderster Front engagiert, dass dieses Projekt zu den Gewinnern gehört. Dafür steigt Lippert derzeit von einem Flugzeug ins nächste, um quer durch Europa bei Wissenschaftlern und Politikern Überzeugungsarbeit zu leisten.

Lippert, „Herr” über den derzeit leitungsfähigsten Computer Europas, den Jugene im Jülicher Forschungszentrum, bleibt bei allem Enthusiasmus, den man für ein solches Vorhaben braucht, nüchtern genug: „Ob man jemals ein virtuelles Gehirn hinbekommt, kann man noch nicht sagen. Wir können uns nur Schritt für Schritt diesem Ziel nähern.”

Es gilt, eine Software zu entwickeln, mit der man die Funktionsweisen des Gehirns verstehen kann, also erst einmal dahinter zu kommen, warum das Gehirn prinzipiell jedem Computer überlegen ist. „Wenn wir die Strukturen besser verstehen, können wir die Elemente elektronisch übersetzen. Am Ende wären wir dann in der Lage, diese Funktionsweisen des Gehirns als Computer zu nutzen, also Informationen so zu verarbeiten und zu nutzen, wie es bisher nur das Gehirn kann.”

Während Thomas Lippert dafür zuständig ist, die „noch schnelleren und leistungsfähigeren” Rechner und die Software zu entwickeln, die man braucht, um überhaupt „vom Gehirn lernen” und seine Fähigkeiten nutzen zu können - und damit der Informations technologie an sich und auch dem Forschungszentrum Jülich „einen gewaltigen Schub” zu geben - kennt sich Katrin Amunts wie nur wenige Wissenschaftler sonst aus mit dem, was man schon alles über den Bau und die Funktionsweisen des Gehirns weiß.

„Hoher Anspruch”

Die Neurowissenschaftlerin leitet am Forschungszentrum ein einzigartiges Projekt, das zum Ziel hat, einen umfassenden Atlas des menschlichen Gehirns zu erstellen. Das Ziel dieser vor mehr als 18 Jahren begonnenen Kartierung des Gehirns (Brain Mapping) - ein „realistisches, dreidimensionales Hirnmodell am Computer zu entwickeln” - liegt schon auf dem Weg dessen, was das Human Brain Project erreichen will.

Nämlich das Gehirn auf allen Ebenen zu verstehen, seine Strukturen und Regionen, seine zellulären, seine genetischen und molekularen Eigenschaften, also all die Eigenschaften, die letztlich für das menschliche Verhalten bedeutsam sind. „Wir können”, sagt Amunts, „schon jetzt einzelne Funktionen des Gehirns auf verschiedenen Organisationsebenen simulieren.” Das Gehirn aber als Ganzes nachzuahmen, wofür noch viele, unendlich viele Daten gewonnen werden müssen „das ist ein hoher Anspruch, aber auch ein großer Reiz”.

Ohne Zweifel, davon ist Katrin Amunts überzeugt, würde das Human Brain Project „die Forschungslandschaft Europas für mindestens zehn Jahre umgestalten”. Eine Zusammenarbeit so vieler europäischer Kollegen habe es in dieser Größenordnung in der Neurowissenschaft noch nicht gegeben: „Das geht mit den üblichen Förderprogrammen gar nicht.” Wieviel von der Milliarde Euro in Jülich ankäme, könne man aber noch nicht abschätzen.

Krankheiten verstehen und heilen

Der Nutzen, den man sich auf lange Sicht für die Medizin und vor allem die Neurologie und die Psychiatrie erhofft, läge im Wesentlichen darin, die Ursachen neurologischer und psychiatrischer Krankheiten und ihren Verlauf besser zu verstehen, sie möglichst früh zu diagnostizieren und die Wirkung von Medikamenten realistisch zu testen. Und das möglichst ohne Tierversuche.

Darüber hinaus ist ein ganzes Bündel von Wissenschaften interessiert und im HBP involviert: Allen voran die Informationstechnologen. „Mithilfe der Simulation können wir Hypothesen und Theorien testen wie in einem Experiment”, sagt Lippert, von Hause aus Physiker.

Beteiligt am HBP sind ein Dutzend Forschungsinstitute in halb Europa, allesamt im westlichen Teil, nebst der Hebräischen Universität in Israel. Robotiker der TU München, die von einem „Brain Computer”-gesteuerten Roboter schwärmen, Biophysiker, Genetiker, Mathematiker, Bildungs- , Verhaltens- und Gesellschaftswissenschaftler. Miteinander dürfen sie allein 1,5 Millionen Euro dafür ausgeben, Machbarkeitsstudien durchzuführen und „alle Aspekte in einem detaillierten Antrag zusammenzufassen”.

Auch heftige Kritik

Natürlich gibt es auch Gegner solcher gigantischen Projekte. „Ungeheuerlich” sei es, so zitiert die Neue Zürcher Zeitung den Neuroinformatiker der ETH Zürich, Richard Hahnloser, „für Projekte, die ins Blaue schießen, Hunderte von Millionen auszugeben.” Diese Schelte hat möglicherweise aber auch mit einem innerschweizerischen universitären Konflikt zu tun. Der eigentliche Erfinder, Visionär und unermüdliche Vorkämpfer des Human Brain Projects ist nämlich der an der Ecole Polytechnique Fédérale Lausanne lehrende Hirnforscher Henry Markram.

Im Jahr 2005 hatte Markram, gebürtiger Südafrikaner und Staatsbürger Israels, in Lausanne das Blue Brain Project initiiert und war jahrelang heftig belächelt worden für sein Vorhaben, Zelle für Zelle ein künstliches Gehirn zu bauen. Diese Vision aber war der Vorläufer zum jetzigen Projekt der Computer-Simulation des menschlichen Gehirns, und Markram ist nun sein Direktor.

Und könnte dieses fast übermenschliche Vorhaben tatsächlich im nächsten Jahr zu einem der Vorzeigeprojekte der europäischen Wissenschaft werden. Thomas Lippert: „Wir haben gute Aussichten. Drücken Sie dem Forschungszentrum die Daumen, die Konkurrenz ist groß.”

Sechs visionäre Großprojekte konkurrieren um Milliarden-Förderung der EU

Das Human Brain Project (HBP) hat zum Ziel, das gesamte menschliche Gehirn zu simulieren. Neben dem Forschungszentrum Jülich sind daran elf europäische Spitzenforschungseinrichtungen beteiligt. Das Vorhaben soll „die Neurowissenschaft, Medizin, Sozialwissenschaften, Informationstechnologie und Robotik revolutionieren”.

Ob das HBP aber in dieser Größenordnung durchgeführt wird, hängt von der Entscheidung der Europäischen Kommission ab, die im Mai 2012 aus sechs vergleichbaren Projekten zwei auswählt, die mit je einer Milliarde Euro auf zehn Jahre als „Flaggschiffe” der Wissenschaft gefördert werden sollen.

Diese FET-Flagship-Initiative der EU (FET steht für Future and Emerging Technologies, etwa: Zukünftige, gerade auftauchende Technologien) fördert zwei visionäre Großprojekte in der Informations- und Kommunikationstechnologie.

Die anderen fünf im Mai benannten Finalisten:

- FuturICT: ein Projekt, mit dem sich Krisen in Politik und Umwelt vorhersagen lassen sollen.

- Graphen: Ein Kohlenstoff, der als Wundermaterial gilt, dessen Potenzial erforscht werden soll.

- Guardian Angels: Minisensoren, die vor Naturkatastrophen warnen und Körperfunktionen überwachen sollen.

- IT Future of Medicine: Maßgeschneiderte Therapien für individuelle Behandlungen.

- Robot Companion: Begleitroboter mit kognitiven Fähigkeiten.

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