Brain Race auf Hochtouren: Supercomputer simulieren das menschliche Gehirn

Aufmacherbild: (C) Forschungszentrum Jülich

Das Human Brain Project der EU und die Brain Initiative der USA sind nur zwei Beispiele: Forscher weltweit liefern sich ein „Brain Race“ um die Entschlüsselung der Funktionsweise des menschlichen Gehirns. Dieses Forschungsgebiet gilt als eines der größten Mysterien: Unser Gehirn ist leistungsfähiger als jeder Supercomputer und verbraucht nur so wenig Energie wie eine Glühbirne – seine Komplexität zu verstehen und nachzubilden, könnte nicht nur die Medizin revolutionieren, sondern auch die Bereiche IT und Robotik.

Aufmacherbild: (C) Forschungszentrum Jülich

Wie oft kaufen Sie Milch ein? Und wie oft landet dabei auch ein Spargelschäler in Ihrem Einkaufswagen? Diese Fragen haben erstaunlich viel mit dem menschlichen Gehirn zu tun.

Ein Supermarkt funktioniert wie ein Gehirn

Tatsächlich gibt es für die clevere Einrichtung eines Supermarktes (welche Produkte werden häufig zusammen gekauft und sollten deshalb nah beieinander stehen) ein mathematisches Verfahren – und das lässt sich auf die Interaktion von Nervenzellen übertragen. Wie das geht, erklärt Neurowissenschaftlerin Sonja Grün vom Forschungszentrum Jülich in diesem vierminütigen Video.

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Der Wissenschaftlerin steht für ihre Arbeit in Jülich einer der leistungsfähigsten Supercomputer der Welt zur Verfügung: Mit der gewaltigen Rechenleistung von 2,2 Petaflops (Billiarden Operationen pro Sekunde) gehört  „Jülich Research on Exascale Cluster Architecture“ oder kurz JURECA zur derzeit höchsten Leistungsklasse. Die Hardware, die aus fast 2000 vernetzten Einzelrechnern besteht, findet Platz in 34 wassergekühlten Schränken in der Rechnerhalle des Jülich Supercomputing Centre (JSC).

Deutscher Superrechner hilft beim Entschlüsseln des Gehirns

Forschern aus ganz Deutschland soll JURECA bei der Untersuchung komplexer Fragen in vielfältigen Wissensgebieten helfen. Sie reichen von Lebens- und Erdsystem-Wissenschaften über die Informationstechnologie und Materialforschung bis hin zur Medizin. In letzterem Bereich wird der Rechner etwa für die Suche und Erprobung neuer Wirkstoffe genutzt.

Eine wesentliche Aufgabe ist jedoch die Analyse großer Datenmengen bei der Erforschung des Gehirns – weshalb der Jülicher Supercomputer auch eine große Rolle beim „HBP“ spielt. Im Human Brain Project der Europäischen Kommission sind über 110 Forschungseinrichtungen und Firmen beteiligt. In seinem Rahmen wollen Forscher das Wissen über das menschliche Gehirn zusammenfassen und es virtuell nachbilden, um zum Beispiel neue Therapien gegen Erkrankungen entwickeln zu können.

Das Human Brain Project könnte auch die IT-Welt revolutionieren

Medizinischer Fortschritt ist aber nur ein Teilaspekt der Forschung. Indem die Forscher die Arbeitsweise des Gehirns verstehen und die Erkenntnisse etwa auf neuartige Superrechner übertragen, könnten auch Informations- und Kommunikationstechnologien weiterentwickelt werden. Denn wie unsere „grauen Zellen“ miteinander interagieren, gilt nach wie vor als eines der größten Mysterien. Mit der „Datenverarbeitung“ des Gehirns würde die Leistungsfähigkeit von Rechnern wohl exponentiell steigen – und das bei vergleichsweise winzigem Energieverbrauch.

Den Weg dorthin bahnen genau jene Superrechner, die durch die neuen Erkenntnisse später übertrumpft werden sollen. So koordinieren aktuell die Wissenschaftler zweier Supercomputer-Zentren die Arbeit einer Plattform für „High Performance Analytics and Computing“: Einmal am Forschungszentrum Jülich, zum anderen an der Technischen Hochschule Zürich. Gemeinsam werden Petabyte-große Datenmengen mit Hilfe moderner Verfahren wie Deep Learning (maschinelles Lernen durch künstliche Intelligenz) analysiert und dargestellt.

„Wir entwickeln gemeinsam den interaktiven Supercomputer, den man so einfach wie einen Laptop nutzen kann und der ein entscheidendes wissenschaftliches Instrument für virtuelle menschliche Gehirne ist.“

… fasst JSC-Direktor Thomas Lippert zusammen, der gemeinsam mit Thomas Schulthess von der ETH Zürich die High-Performance-Plattform leitet.

Google Earth fürs Gehirn

Ein Beispiel für die Nutzung der Plattform ist das Projekt von Katrin Amunts, ebenfalls Wissenschaftlerin in Jülich. Ihre Forschungsgruppe arbeitet an einem „Hirnatlas“. Er soll die Zellstruktur eines vollständigen menschlichen Gehirns so detailliert rekonstruieren wie kein anderes Modell auf der Welt. Das Prinzip ist soll ähnlich wie bei Google Earth. Doch statt der geographischen Erkundung der Erde macht der Hirnatlas die Erkundung etwa von Synapsen möglich. Oder von Nervenfaserbahnen, die verschiedene Hirnregionen verbinden.

Das „Brain Race“ läuft auf Hochtouren

Zahlen, Daten, Fakten zur "Brain Initiative" der USA. (C) whitehouse.gov
Zahlen, Daten, Fakten zur „Brain Initiative“ der USA. (C) whitehouse.gov

Von Deutschland über die Schweiz bis Israel, USA und China: Überall in der Welt erforschen Wissenschaftler die Komplexität des menschlichen Gehirns. Die internationalen Projekte in diesem „Brain Race“ befruchten sich intellektuell. Auch wenn der an das „Space Race“ der 50er- und 60er-Jahre gewählte Begriff auch eine gewisse Konkurrenz ausdrückt. Während das europäische HBP eine Gehirnsimulation anstrebt, will die „Brain Initiative“ der USA möglichst jede einzelne Nervenzelle erfassen – davon gibt es schätzungsweise 100 Milliarden. Das israelische Projekt wiederum hat sich als Schwerpunkt die Entwicklung technischer Lösungen wie Hirnimplantate gesetzt. Zum Wohle der Menschheit könnte daher vielleicht – um im historischen Bild zu bleiben – die gemeinsame Landung auf dem Mond als Meilenstein in der Wissenschaft gelingen.

„We have a chance to improve the lives of not just millions, but billions of people on this planet through the research that’s done in this BRAIN Initiative alone. But it’s going to require a serious effort, a sustained effort.“
US-Präsident Barack Obama, 2. April 2013

Schon 2030, so meinen Experten, soll es soweit sein: Dann soll die Funktionsweise des menschlichen Gehirns entschlüsselt und könnten Computer dem Gehirn ebenbürtig werden.

Und die Visionen gehen sogar noch weiter: 2050 soll es zu einem Fußballspiel zwischen autonom agierenden Robotern und der echten menschlichen Fußball-Weltmeister-Mannschaft kommen.

Fußballspielen im Jahr 2050: Menschen gegen Roboter?

So utopisch erscheint die Vorstellung nicht (mehr). Google zum Beispiel investiert hohe Beträge in die Weiterentwicklung von Künstlicher Intelligenz und Robotik. So hat der Suchmaschinengigant in den letzten Jahren zum Beispiel mehrere marktführende Unternehmen in diesen Bereichen aufgekauft. Die Marschrichtung ist klar: Wer das Gehirn entschlüsselt, hat auch den Schlüssel zum Bau von Supercomputern und Hochleistungsrobotern.

Übrigens erinnert der Name des Jülicher Supercomputers an eine weltberühmte Entdeckung in der Antike: „Heureka!“, das altgriechische Wort für „Ich hab’s gefunden!“. So soll der Ingenieur Archimedes gerufen haben, als er das nach ihm benannte Prinzip beim Baden entdeckt hatte. Man mag sich kaum ausmalen, wie laut das „Heureka“ der zeitgenössischen Wissenschaftler sein wird, wenn das Verständnis für die Funktionsweise des Gehirns bei 100 Prozent angekommen ist.

 

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