Das menschliche Gehirn, ein Organ von etwa 1,4 Kilogramm, das in einen Schuhkarton passt, gilt als eine der komplexesten und genialsten Entwicklungen der Natur. Es ist ein riesiges Netzwerk von rund 100 Milliarden Nervenzellen, die über etwa 100 Billionen Kontaktstellen, den Synapsen, miteinander verbunden sind. Dieses Netzwerk ermöglicht uns zu denken, zu fühlen und zu handeln.
Das Human Brain Project: Der Versuch, das Gehirn zu simulieren
Das Human Brain Project (HBP), ein ehrgeiziges europäisches Forschungsprojekt, hat sich zum Ziel gesetzt, das menschliche Gehirn im Computer zu simulieren. Unter der Leitung von Henry Markram, der vom Schweizer "Tagesanzeiger" als "Reisender durch den Kosmos des menschlichen Gehirns" beschrieben wird, soll das HBP in den nächsten zehn Jahren mit 1,2 Milliarden Euro gefördert werden.
Markram, ein südafrikanisch-israelischer Neurowissenschaftler, leitet das Brain Mind Institute an der Technischen Hochschule von Lausanne. Er ist überzeugt, dass das HBP einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis des Gehirns leisten wird: "Tieferes Verständnis unseres Gehirns auf grundlegender Ebene wird eine gewaltige Auswirkung haben auf die Gesellschaft."
Das HBP plant, ein neues Forschungszentrum namens Neuropolis in der Schweiz zu errichten, in dem die Forschungsarbeiten von etwa 80 Arbeitsgruppen aus Europa, Israel und den USA koordiniert werden sollen. Ziel ist es, alle verfügbaren Daten und Erkenntnisse aus 200 Jahren Neurowissenschaft zusammenzuführen, um ein umfassendes 3D-Modell des Gehirns im Computer zu erstellen. Dieses Modell soll es Forschern ermöglichen, die Aktivitäten des Gehirns nachzuspielen und so die biologischen Mechanismen zu verstehen, die kognitiven und emotionalen Reaktionen zugrunde liegen.
Skepsis und Kritik am Human Brain Project
Trotz der ambitionierten Ziele und der enormen finanziellen Unterstützung stößt das HBP auch auf Skepsis und Kritik innerhalb der neurowissenschaftlichen Gemeinschaft. Einige Forscher bezeichnen das Projekt als "Größenwahn", "Milliardengrab" und "Sackgasse". Christian Elger, Leiter der Klinik für Epileptologie, räumt zwar ein, dass die Idee, das Wissen über das Gehirn zusammenzutragen, grundsätzlich gut sei, bemängelt aber die unterschiedliche Qualität der verfügbaren Daten: "Garbage in, garbage out. Also Müll hinein, dann kommt auch Müll heraus."
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Elger hält Markrams Vision von der Gehirnsimulation für verfrüht: "Aus meiner Sicht ist es ein Jahrzehnt, vielleicht auch zwei Jahrzehnte zu früh. Vielleicht geht es auch überhaupt nicht. Denn im Gegensatz zum Computer zeigt das Gehirn eine unglaubliche Komplexität und auch Variabilität." Er betont, dass sich die Kontakte zwischen den Nervenzellen ständig lösen und neu knüpfen und dass sich die Hirnstrukturen im Laufe der Zeit verändern. Diese Dynamik und Komplexität sei kaum in einem Computermodell abzubilden.
Die Rolle von Supercomputern in der Hirnforschung
Ein wichtiger Aspekt des HBP ist der Einsatz von Supercomputern, um die komplexen Berechnungen durchzuführen, die für die Simulation des Gehirns erforderlich sind. Das Forschungszentrum Jülich, einer der wichtigsten Standorte des HBP, verfügt mit Juqueen über einen der leistungsstärksten Rechner Europas.
Juqueen besteht aus 28 Schränken in Telefonzellengröße und verfügt über 450.000 Rechenkerne. Norbert Attig, der stellvertretende Leiter des Supercomputerzentrums, erklärt, dass Juqueen etwa 100.000 durchschnittlichen PCs entspricht und etwa zwei Megawatt Energie verbraucht.
Obwohl Juqueen bereits für verschiedene wissenschaftliche Projekte eingesetzt wird, darunter Plasmaphysik, Proteinfaltung und Klimaforschung, soll seine Rolle in der Hirnforschung im Rahmen des HBP noch ausgebaut werden. Attig betont jedoch, dass Juqueen trotz seiner enormen Rechenleistung "einfach dumm" sei und keine eigene Intelligenz besitze.
Die Bedeutung von Simulationssoftware und Computer Neurowissenschaften
Um Computer dazu zu bringen, wie Gehirne zu arbeiten, ist eine spezielle Simulationssoftware erforderlich. Diese Software wird von spezialisierten Neurowissenschaftlern, Informatikern, Mathematikern und Physikern entwickelt, die auch als "Simulanten" bezeichnet werden.
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Stefan Rotter, der Leiter des Bernstein-Zentrums für Computer Neurowissenschaften, betont, dass die Rückführung komplexer Gedanken und Gefühle auf die Aktivität einzelner Nervenzellen eine wissenschaftliche Leistung sei, die nicht im Laufe der nächsten zehn Jahre zu erreichen sei. Er warnt vor einer zu großen Euphorie und erinnert an die "Misserfolge" der künstlichen Intelligenz in den 80er- und 90er-Jahren.
Die heutige Herangehensweise in den Computer Neurowissenschaften unterscheidet sich jedoch grundlegend von der früheren künstlichen Intelligenz. Anstatt intelligentes Verhalten durch einfache Software nachzuahmen, sollen nun die Prinzipien des Nervensystems analysiert und von Grund auf nachgebaut werden. Dabei konzentrieren sich die Forscher auf die elektrischen Erregungen, die von den Nervenzellen ausgehen und sich entlang der Fasern ausbreiten, die Aktionspotenziale.
Die Computer-Analogie des Gehirns: Chancen und Grenzen
Die Analogie zwischen Gehirn und Computer ist ein zentrales Konzept in der Hirnforschung. Sie beruht auf der Vorstellung, dass Nervenzellen durch Ionisationsprozesse wie elektrische Schaltkreise funktionieren und dass die Vernetzung der Neurone über Synapsen mit der Vernetzung in künstlichen neuronalen Netzen vergleichbar ist.
Diese Analogie hat sich als nützlich erwiesen, um bestimmte Aspekte der Hirnfunktion zu modellieren und zu simulieren. Sie hat jedoch auch ihre Grenzen. Im Gegensatz zum Computer ist das Gehirn ein komplexes, dynamisches und variables System, das sich ständig verändert. Die Signalübertragung in den Nervenzellen ist nicht strikt determiniert, und die Neurotransmitter haben oft nur einen begrenzten Wirkungsgrad.
Darüber hinaus vernachlässigt die Computer-Analogie wichtige Aspekte der Hirnfunktion, wie die Rolle von Emotionen, Bewusstsein und Verkörperung. Der Philosoph Hubert Dreyfus hat argumentiert, dass Computer niemals in der Lage sein werden, menschliches Denken und Verstehen zu simulieren, da sie keine Körper haben und keine Erfahrungen in der realen Welt machen.
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Die Bedeutung der experimentellen Methode in der Hirnforschung
Um die Funktionsweise des Gehirns zu verstehen, ist die experimentelle Methode unerlässlich. Sie ermöglicht es Forschern, mentale Phänomene unter kontrollierbaren Bedingungen zu untersuchen und stabile, reproduzierbare Naturerscheinungen zu identifizieren.
Die experimentelle Methode in der Hirnforschung umfasst in der Regel die Abstraktion von qualitativen Eigenschaften, die Idealisierung von Modellen, die kausale Analyse und Synthese von Prozessen, die Isolation des untersuchten Systems, die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und die Variation der Versuchsbedingungen.
Allerdings ist es schwierig, alle diese Merkmale auf mentale Phänomene anzuwenden. Insbesondere die Idealisierung, die kausale Analyse und Synthese und die Isolation der untersuchten Systeme stellen große Herausforderungen dar. Mentale Phänomene lassen sich nicht isolieren, und es ist schwierig, den Unterschied zwischen Wesentlichem und Vernachlässigbarem quantitativ zu bestimmen.
Neue Werkzeuge für die Hirnforschung
Trotz der Herausforderungen macht die Hirnforschung stetig Fortschritte. Dank neuer Werkzeuge können Forscher verschiedene Zelltypen im Gehirn und Rückenmark gezielt aktivieren und so die komplexen Zusammenhänge zwischen Nervenzellen besser verstehen.
Diese Werkzeuge, die im Rahmen der BRAIN-Initiative der National Institutes of Health (NIH) entwickelt wurden, ermöglichen es Wissenschaftlern, Gene gezielt in bestimmte Zellnachbarschaften im Gehirn zu liefern und so die Menge eines Gens zu regulieren, das in RNA transkribiert wird.
Die neuen Werkzeuge bieten eine attraktive Alternative zur zeitaufwändigen Arbeit der Herstellung transgener Mäuse, die Wissenschaftler verwenden, um menschliche Krankheiten zu modellieren und die Funktion spezifischer Gene zu untersuchen. Sie ermöglichen es Forschern, die Aktionen mehrerer Zelltypen in einem bestimmten Schaltkreis zu beobachten und so die Logik des Informationsflusses von einem Teil zum anderen zu verstehen.
Die Rolle von Gliazellen in den Netzwerken der Neurone
Neben den Neuronen spielen auch Gliazellen eine wichtige Rolle in den Netzwerken des Gehirns. Lange Zeit wurden Gliazellen als reine Versorger betrachtet, doch in den letzten Jahren hat das Interesse an ihnen stark zugenommen.
Astrozyten, eine Untergruppe der Gliazellen, bilden eigene Netzwerke, in denen sie über Kalziumwellen miteinander kommunizieren. Sie umhüllen Synapsen und optimieren die Signalübertragung, wodurch sie die Langzeitplastizität beeinflussen und die Entscheidungsfindung unterstützen. Oligodendrozyten umhüllen die Axone mit ihren Myelinscheiden und ermöglichen so eine schnellere Erregungsleitung, während Mikroglia Synapsen abbauen können.
Obwohl die genaue Rolle der Gliazellen in den Netzwerken der Neurone noch nicht vollständig verstanden ist, deuten die Forschungsergebnisse darauf hin, dass sie eine wichtige Rolle bei der Informationsverarbeitung und der Regulation der Hirnfunktion spielen.
Die Grenzen der Computer-Analogie und die Suche nach neuen Paradigmen
Die Computer-Analogie des Gehirns hat sich als nützlich erwiesen, um bestimmte Aspekte der Hirnfunktion zu modellieren und zu simulieren. Sie hat jedoch auch ihre Grenzen. Das Gehirn ist ein komplexes, dynamisches und variables System, das sich ständig verändert. Die Signalübertragung in den Nervenzellen ist nicht strikt determiniert, und die Neurotransmitter haben oft nur einen begrenzten Wirkungsgrad. Darüber hinaus vernachlässigt die Computer-Analogie wichtige Aspekte der Hirnfunktion, wie die Rolle von Emotionen, Bewusstsein und Verkörperung.
Es ist daher wichtig, die Grenzen der Computer-Analogie zu erkennen und nach neuen Paradigmen zu suchen, um die Funktionsweise des Gehirns besser zu verstehen. Die Hirnforschung steht noch am Anfang, und es ist wahrscheinlich, dass wir in den kommenden Jahren viele neue Entdeckungen machen werden, die unser Verständnis des Gehirns grundlegend verändern werden.