Die Verbindung des menschlichen Gehirns mit Computern ist ein faszinierendes und zukunftsweisendes Forschungsfeld. Es umfasst sowohl die Simulation von Gehirnfunktionen auf Supercomputern als auch die Entwicklung von Hirn-Computer-Schnittstellen (BCI), die es ermöglichen, Gedanken in Aktionen umzusetzen. Diese Technologien versprechen nicht nur ein besseres Verständnis des Gehirns, sondern auch innovative Behandlungen für neurologische Erkrankungen und neue Möglichkeiten für Menschen mit schweren körperlichen Einschränkungen.
Simulation von Gehirnfunktionen
Die bisher größte Simulation
Einem deutsch-japanischen Forscherteam ist die bisher größte Simulation von Gehirnfunktionen auf einem Computer gelungen. Das von Markus Diesmann und Abigail Morrison vom Forschungszentrum Jülich entwickelte Modell stellt die Verschaltung von 1,73 Milliarden Nervenzellen dar, die über 10,4 Billionen Kontaktstellen miteinander verbunden sind. Diese Simulation ermöglicht es, die biologische Aktivität der Nervenzellen nachzustellen. Obwohl das Netzwerk enorm ist, entspricht es nur etwa einem Prozent des menschlichen Gehirns.
Der K Supercomputer
Für diese Simulation nutzten die Wissenschaftler den viertschnellsten Computer der Welt, den „K Supercomputer“, der sich im japanischen Kobe befindet. Die Berechnung dauerte etwa 40 Minuten und beanspruchte alle 83.000 Prozessoren des Computers. Das Modell belegte etwa ein Petabyte Speicherplatz, was dem Arbeitspeicher von 250.000 PCs entspricht.
Das Human Brain Project
Ein weiteres ambitioniertes Projekt ist das "Human Brain Project" (HBP), das sich zum Ziel gesetzt hat, ein nahezu komplettes menschliches Großhirn auf einem Supercomputer zu simulieren. Dieses Projekt, unter der Leitung von Henry Markram von der ETH Lausanne, zielt darauf ab, ein Standardisierungswerkzeug für die Forschergemeinde zu schaffen, in dem alle Teilergebnisse der Hirnforschung integriert werden können. Das HBP stieß jedoch auch auf Kritik, insbesondere hinsichtlich der mangelnden Veröffentlichungen und der Fokussierung auf Simulationen.
Herausforderungen und Kritik
Die Simulation des gesamten Gehirns ist eine enorme Herausforderung. Selbst ein ExaFLOP-Rechner würde an seine Grenzen stoßen, wenn er die Neurotransmitterkonzentration in jeder der hundert Milliarden Zellen berechnen müsste. Darüber hinaus stellt die Interpretation der Simulationsergebnisse ein gewaltiges Softwareproblem dar. Kritiker bemängeln, dass die Forschung nicht genug über das Gehirn weiß, um entscheiden zu können, welche Details beim Modellieren wichtig sind und welche nicht.
Lesen Sie auch: Faszination Nesseltiere: Wie sie ohne Gehirn leben
Hirn-Computer-Schnittstellen (BCI)
Erste Implantation in Europa
Ein Team des Universitätsklinikums der Technischen Universität München (TUM) hat einem vom Hals abwärts gelähmten Mann eine Hirn-Computer-Schnittstelle eingesetzt. Dieser fünfstündige Eingriff war der erste seiner Art in Europa. Die BCI soll dem Betroffenen in Zukunft mehr Teilhabe, Unabhängigkeit und Lebensqualität ermöglichen.
Die Operation
In einer mehr als fünfstündigen Operation setzte das Team der Neurochirurgie am TUM Klinikum eine eigens gefertigte Hirn-Computer-Schnittstelle ein. Die größte Herausforderung bestand darin, die Elektroden sehr genau zu implantieren, um exakte Ableitungen zu erhalten und Hirnsignale präzise zu messen. Bereits 2022 hatte das Team einer Schlaganfallpatientin mit Sprachstörung eine solche Schnittstelle eingesetzt.
Funktionsweise der BCI
Nach dem erfolgreichen Eingriff begannen die eigentlichen Forschungsarbeiten. Etwa zweimal pro Woche treffen sich der Patient und die Forschenden im Labor. Über einen Messkopf wird ein Computer an die Schnittstelle angeschlossen, der aus den übertragenen Signalen Nervenzellaktivität extrahiert. Diese Daten werden genutzt, um KI-Algorithmen so zu trainieren, dass sie den Zusammenhang zwischen den neuronalen Signalen und der Bewegung, die der Patient ausführen will, erkennen.
Ziele der Forschung
Zunächst sollen die decodierten Hirnsignale genutzt werden, um einen Cursor auf einem Bildschirm und ein Mausklick-Signal zu kontrollieren. In Zukunft soll der Patient lernen, einen robotischen Arm zu bewegen und damit Gegenstände zu greifen. Die Forschenden konzentrieren sich darauf, Systeme zu entwickeln, die menschliche Absichten erkennen, anstatt von den Menschen zu erwarten, dass sie sich anpassen und den Umgang mit Robotersystemen erlernen.
Wettbewerb und Ziele
Die Wissenschaftler sehen sich vor allem im Wettbewerb mit Forschungseinrichtungen in den USA. Ihr Ziel ist es, den Rückstand Europas und Deutschlands aufzuholen, indem sie Projekte durchführen, die anderswo nicht möglich sind. Dies erfordert die Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen wie Medizin, Neurowissenschaften, KI und Ingenieurwissenschaften.
Lesen Sie auch: Lesen Sie mehr über die neuesten Fortschritte in der Neurowissenschaft.
Das virtuelle Gehirn
Eine Gehirnsimulationsplattform
Petra Ritter, BIH-Johanna-Quandt-Professorin für Gehirnsimulation am Berlin Institute of Health und an der Charité, leitet ein internationales Projekt namens "The Virtual Brain". Dabei handelt es sich um eine Gehirnsimulationsplattform, die seit 2012 öffentlich verfügbar ist. Wissenschaftler können damit personalisierte Gehirne konstruieren und am Computer simulieren. Der Vorteil dieser Plattform besteht darin, dass Simulationen aus verschiedenen Laboren miteinander verglichen werden können.
Kombination von Messmethoden und Simulation
Das virtuelle Gehirn kombiniert Informationen aus physikalischen Messmethoden wie EEG, MRT und PET-Untersuchungen mit theoretischen Modellen des Gehirns. Die Messdaten werden in mathematische Modelle integriert, um ein vereinfachtes Modell des Gehirns zu erstellen, das bestimmte Merkmale hervorhebt. Dadurch können die Gehirne individualisiert werden, indem individuelle Informationen von Patienten oder gesunden Personen in die Modelle eingespeist werden.
Reduktion der Komplexität
Da das Gehirn aus hundert Milliarden Nervenzellen besteht, die untereinander mit noch viel mehr Synapsen verschaltet sind, ist es nicht möglich, alle diese Elemente abzubilden. Daher müssen die Wissenschaftler die Komplexität des Gehirns reduzieren, indem sie Nervenzellen zu sogenannten Populationsmodellen oder Maßmodellen zusammenfassen, die ganze Hirnregionen repräsentieren.
Anwendungen des virtuellen Gehirns
Mit dem virtuellen Gehirn können die Wissenschaftler untersuchen, welche Netzwerkinteraktionen im gesunden Gehirn ablaufen, wie sich die Prozesse im Gehirn im Laufe der Entwicklung und des Alterns verändern und wie sich diese Prozesse bei bestimmten Krankheiten verändern. Dies ist wichtig, um Möglichkeiten zu finden, den veränderten Prozessen entgegenzusteuern und sie wieder zu normalisieren.
Beispiel Alzheimer
Bei Alzheimer-Patienten können mit PET bestimmte Proteinablagerungen, das sogenannte Beta-Amyloid, in vielen Bereichen des Gehirns sichtbar gemacht werden. Diese Informationen können in die Modelle integriert werden. Durch die Berücksichtigung der Proteinablagerungen kommt es in der Simulation zu einer Verlangsamung der elektromagnetischen Signale, die auch in den echten gemessenen Daten zu sehen ist. So können die Wissenschaftler das Puzzle zusammenfügen und neue Theorien entwickeln, wie die verschiedenen Beobachtungen miteinander in Zusammenhang stehen.
Lesen Sie auch: Tinnitus und Gehirnaktivität: Ein detaillierter Einblick
Klinische Studien
Es gibt bereits eine klinische Studie mit dem Virtual Brain in Frankreich im Bereich von Epilepsie. Bei dieser multizentrischen Studie werden Informationen aus dem Virtual Brain genutzt, um den neurochirurgischen Eingriff bei Patienten, die nicht auf Medikamente ansprechen, besser zu planen. Erste Hinweise deuten darauf hin, dass die Vorhersagen des Modells bezüglich der epileptogenen Zone und des Ausbreitungswegs besser sein könnten als die Schlussfolgerungen der Menschen, wenn sie sich die Daten einfach nur anschauen.
Weitere Anwendungen
Neben Epilepsie gibt es auch Kooperationsprojekte zu Hirntumoren, bei denen gezeigt wurde, dass durch die Simulation sehr gut zwischen Tumorgewebe und Nichttumorgewebe unterschieden werden kann. Auch bei der Vorhersage, wie chemische Substanzen oder Medikamente wirken, kann das Gehirnmodell helfen.
Mind Uploading: Die Zukunftsvision des Bewusstseins-Uploads
Die Idee des Mind Uploading
Die Idee des "Mind Uploading" oder des Hochladens von Gedanken ist eine weitere Zukunftsvision, die von Forschern, Informatikern und Philosophen verfolgt wird. Dahinter steckt die Idee, dass wir eines Tages einen Menschen von seinem biologischen Körper in eine synthetische Hardware umwandeln können.
Grundannahmen des Mind Uploading
Die Machbarkeit des Gedanken-Uploads beruht auf drei Grundannahmen: die Technologieannahme (die Entwicklung einer Technologie zum Hochladen von Gedanken), die Annahme eines künstlichen Geistes (dass ein simuliertes Gehirn einen echten Geist hervorbringen würde) und die Überlebensannahme (dass die dabei geschaffene Person wirklich nach wie vor die Ursprungsperson ist).
Herausforderungen des Mind Uploading
Der Versuch, das menschliche Gehirn zu simulieren, ist eine gewaltige Herausforderung, da es sich um die komplexeste Struktur im bekannten Universum handelt. Es beherbergt rund 86 Milliarden Neuronen und 85 Milliarden nicht neuronale Zellen mit unzähligen neuronalen Verbindungen. Um ein funktionierendes Gehirn zu simulieren, müssten einzelne Neuronen in Aktion beobachtet werden.
Philosophische Fragen
Eine weitere Frage ist, ob die Simulation eines Gehirns zu einem Bewusstsein wie dem des ursprünglichen Menschen führen würde. Viele Forschende glauben, dass die komplexe Nervenstruktur des Gehirns für die Bildung des Bewusstseins verantwortlich ist und nicht die Beschaffenheit seiner biologischen Materie. Eine weitere Frage ist, ob die hochgeladene Person wirklich der jeweilige Mensch oder vielleicht nur ein mentaler Klon ist.
Kritische Betrachtung
Das Hochladen von Gedanken ist mit einem großen Vertrauensvorschuss verbunden. Das Flaggschiff-Projekt der EU, das mit dem Versprechen startete, ein detailgetreues, funktionstüchtiges Gehirn im Computer zu erschaffen, scheiterte schnell.
Simulationstheorie: Leben wir in einer Computersimulation?
Die Simulationstheorie
Die ständig fortschreitende Leistungsfähigkeit unserer Großrechenanlagen wird es in einigen Jahren ermöglichen, die kompletten Abläufe in einem menschlichen Gehirn zu simulieren. Wenn dann jemand auf den Gedanken käme, unsere derzeitige Welt "naturgetreu" zu simulieren, wie können wir dann noch sicher sein, dass wir jetzt in der Realität leben und nicht in dieser Computersimulation?
Grundannahmen der Simulationstheorie
Die Simulationstheorie geht davon aus, dass das Gehirn nichts anderes als eine komplizierte informationsverarbeitende Maschine ist, so können letztlich sämtliche Funktionen des Gehirns von einem Computer simuliert werden. Eine absolut perfekte Simulation nennt man "Emulation". Voraussetzung hierfür ist lediglich, dass der Computer erheblich leistungsfähiger als das Gehirn selbst ist und dass die entsprechende Programmierung vorhanden ist.
Konsequenzen der Simulationstheorie
Für die Person selbst ist absolut nicht feststellbar, ob sie in der Realität lebt oder virtuell ist. Die Rechenleistung für die Simulation einer Umwelt hält sich in Grenzen, da immer nur die Daten generiert werden müssen, auf die auch unmittelbar zugegriffen wird.
Philosophische Überlegungen
Da wir grundsätzlich keine experimentellen Möglichkeiten haben, festzustellen, ob wir in der letzten Realität leben oder in einer Simulation, sollte man weder einen fundamentalistischen Atheismus noch einen fundamentalistischen Theismus vertreten. Es gibt einige Philosophen, die versuchen, solche Wahrscheinlichkeitsabschätzungen zu machen. Der Grundgedanke ist dabei, dass unsere Nachfahren aufgrund der immens anwachsenden Rechenleistung der Computer in der Lage sein werden, Simulationen der Vergangenheit laufen zu lassen.
Kritik an der Simulationstheorie
Einige Philosophinnen und Philosophen behaupten, dass die spezifischen materiellen Prozesse, die lebende Systeme von nicht-lebenden Systemen unterscheiden, nur in einer 'Kohlenstoff-Welt' stattfinden können und somit nicht verlustfrei in die 'Silizium-Welt' unserer Computersysteme übertragbar sind. Andere Naturwissenschaftler vermuten, dass unser Gehirn Zugriff auf quantenmechanische Prozesse hat und dass nur dadurch Bewusstsein entstehen kann.
Fazit zur Simulationstheorie
Unabhängig davon wird es natürlich in der Zukunft immer mehr Möglichkeiten geben, sich für eine begrenzte Zeit in eine virtuelle Welt zu begeben. Moralisch entscheidend ist hierbei, dass dies freiwillig geschieht und dass den Nutzern jederzeit klar ist beziehungsweise klargemacht wird, wann sie sich in einer Simulation befinden und wann in der Realität.
tags: #gehirn #angeschlossen #an #computer #simulierte