Das menschliche Gehirn ist eines der komplexesten Organe, die die Natur hervorgebracht hat. Es besteht aus etwa 86 Milliarden Nervenzellen, den sogenannten Neuronen, die durch Billionen von Synapsen miteinander verbunden sind. Diese Neuronen verarbeiten Informationen und ermöglichen es uns zu denken, zu fühlen, zu lernen und uns zu erinnern. Die Neurowissenschaften haben in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht, um die Funktionsweise dieses faszinierenden Organs zu verstehen.
Supercomputer und die Simulation des Gehirns
Ein vielversprechender Ansatz zur Erforschung des Gehirns ist die Simulation seiner Aktivität mit Hilfe von Supercomputern. Das Forschungszentrum Jülich hat sich im Rahmen des Human Brain Project zum Ziel gesetzt, ein menschliches Gehirn vollständig und deckungsgleich zu simulieren. Die Hardware dafür stellt das Jülicher Zentrum für Supercomputing, das bereits jetzt Rechner betreibt, die zu den schnellsten der Welt gehören.
Prof. Markus Diesmann, Leiter des Bereichs Computational and Systems Neuroscience (INM-6) des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin in Jülich, ist maßgeblich an der Entwicklung der Software für die Simulation beteiligt. Er sammelt die Daten aus der Neurowissenschaft, führt sie zusammen und entwickelt daraus Simulationen des Gehirns. Er nennt das, Netzwerke von Neuronen nachzubauen.
Die Herausforderungen der Simulation
Die Simulation eines menschlichen Gehirns ist eine enorme Herausforderung. Selbst die Simulation eines kleinen Teils des Gehirns erfordert enorme Rechenleistung. Diesmanns Team hat bisher Netzwerke mit 100.000 Neuronen verschaltet, was einem Kubikmillimeter Gehirn entspricht. Jeder Neuron hat über rund 10.000 Synapsen Kontakt zu anderen Neuronen, somit enthält ein Kubikmillimeter eine Milliarde Verbindungen. Allein die Gesamtlänge der Ausgangsleitungen der Nervenzellen beträgt etwa drei Kilometer.
Das Forschungszentrum Jülich arbeitet derzeit in Exascale-Projekten daran, die bisher mögliche Leistung im einstelligen Petaflop-Bereich auf ein Exaflop hochzutreiben. Dazu erforschen wir auch, was die Gehirn- von der Computerarchitektur unterscheidet, und wie wir da hinkommen.
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Das Gehirn als Vorbild für die Informationstechnologie
Das Gehirn ist die effizienteste Informationsverarbeitungsmaschine der Erde und dient als Vorbild für die Entwicklung der nächsten Generation der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT). Im Gegensatz zu Computern, die auf binären Codes basieren, nutzt das Gehirn neuronale Plastizität, um sich an neue Aufgaben anzupassen und von Schädigungen zu erholen.
Neuronale Plastizität und das Lernen
Das menschliche Gehirn ist in der Lage, sich ein Leben lang zu verändern und anzupassen. Diese Fähigkeit, die als neuronale Plastizität bezeichnet wird, ermöglicht es uns, neue Dinge zu lernen, uns an neue Umgebungen anzupassen und uns von Hirnschäden zu erholen.
Synaptische Plastizität
Lernen findet an den Synapsen statt, den Kontaktstellen zwischen den Nervenzellen. Synapsen können die Effektivität der Übertragung variieren, ein Phänomen, das als synaptische Plastizität bezeichnet wird. Eine Synapse kann durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet.
Neurogenese
Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden. Unser Gehirn gleicht zeitlebens einer Baustelle.
Die Rolle des Hippocampus
Der Hippocampus, eine Hirnstruktur, die aufgrund ihres Aussehens nach dem Seepferdchen benannt wurde, verarbeitet Informationen zu neuen Erinnerungen und macht Lernen erst möglich. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass bei Londoner Taxifahrern, die sich gut orientieren und Routen merken können müssen, der Hippocampus im Laufe der Jahre größer wird.
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Die Organisation des Gehirns
Das menschliche Gehirn lässt sich nach verschiedenen Kriterien untergliedern. Entwicklungsgeschichtlich besteht es wie das aller Wirbeltiere aus dem End-, Zwischen-, Mittel-, Hinter- und Markhirn, auch als Tel-, Di-, Mes-, Met- und Myelencephalon bezeichnet. Anatomisch fallen besonders die Bereiche ins Auge, die als Groß-, Zwischen- und Kleinhirn (Cerebellum) bezeichnet werden, sowie der Hirnstamm.
Die Großhirnrinde (Kortex)
Besonders auffällig ist die zum Endhirn gehörende sogenannte Großhirnrinde, der sogenannte Kortex. Sie ist im Laufe der Evolution so stark gewachsen, dass sie fast das gesamte Gehirn umgibt. Die Großhirnrinde ist Sitz vieler höherer geistiger Fähigkeiten. Einzelne Bereiche haben dabei unterschiedliche Aufgaben. So sind manche Areale darauf spezialisiert, Sprache zu verstehen, Gesichter zu erkennen oder Erinnerungen abzuspeichern. In der Regel ist aber keine Region allein für eine bestimmte Fähigkeit verantwortlich, sondern nur im Zusammenspiel mit anderen.
Das Konnektom
Wissenschaftler untersuchen, welche Gehirngebiete miteinander verbunden sind, mithilfe der sogenannten Magnetresonanztomografie (MRT). Mit dieser Technik können sie die zu Fasersträngen gebündelten Fortsätze von Nervenzellen sichtbar machen, die die Areale der Großhirnrinde miteinander verbinden. Auf diese Weise haben Sprachforscher beispielsweise eine für das Sprachvermögen zentrale Gehirnregion entdeckt: den sogenannten Fasciculus Articuatus.
Neue Technologien und die Zukunft der Neurowissenschaften
Die Neurowissenschaften entwickeln sich rasant weiter, und neue Technologien eröffnen aufregende Möglichkeiten, das Gehirn zu erforschen und zu verstehen.
Gehirn-Computer-Schnittstellen
Bernhard Schölkopf und sein Team wollen den Code des Gehirns entschlüsseln und leistungsfähige Gehirn-Computer-Schnittstellen entwickeln. Diese Schnittstellen könnten dazu verwendet werden, Menschen mit Lähmungen zu helfen, sich wieder zu bewegen, oder Menschen mit Sprachstörungen zu ermöglichen, wieder zu kommunizieren.
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Funktelepathie
Der Physiker Freeman Dyson spekulierte über die Möglichkeit der "Funktelepathie", der unmittelbaren Übertragung von Gedanken und Gefühlen von einem Gehirn zum anderen. Er glaubte, dass die raschen Fortschritte in der Neurologie es ermöglichen könnten, mikroskopische Funktransmitter und -Empfänger in ein lebendiges Gehirn zu platzieren und die Aktivität eines ganzen menschlichen Gehirns im Detail zu beobachten und zu steuern.
Künstliche Intelligenz
Künstliche Intelligenz (KI) wird zunehmend in der Neurowissenschaft eingesetzt, um Krankheiten zu erkennen, die Aktivität von Nervenzellen zu kartografieren und die Prinzipien der Informationsverarbeitung im Gehirn zu verstehen.
Ethische Fragen
Die Fortschritte in der Neurowissenschaft werfen auch wichtige ethische Fragen auf. Wenn wir in der Lage sind, das Gehirn zu simulieren, zu manipulieren und zu verbinden, müssen wir uns fragen, welche Auswirkungen dies auf unsere Identität, unsere Autonomie und unsere Gesellschaft haben wird.
Die Vielfalt der Gehirne im Tierreich
Das menschliche Gehirn ist nicht das einzige Gehirn im Tierreich. Viele andere Tiere haben ebenfalls Gehirne, die an ihre spezifischen Bedürfnisse und Umgebungen angepasst sind.
Bakterien und Schleimpilze
Sogar Bakterien und Schleimpilze besitzen primitive Formen der Reizerkennung und Informationsverarbeitung.
Fadenwürmer
Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans hat exakt 302 Nervenzellen, die über 6393 chemische Verbindungsstellen und 890 Ionenkanäle vernetzt sind.
Bienen
Bienen verfügen über ein breites Verhaltensrepertoire und können Farben, Formen, Gerüche und Regeln lernen.
Oktopusse
Oktopusse haben ein hoch entwickeltes zentrales Nervensystem, das sie zu erstaunlichen Leistungen befähigt, wie z. B. das Finden des kürzesten Weges nach Hause und das Lösen von Problemen.
Rabenvögel
Rabenvögel benutzen Werkzeuge und bringen diese wenn nötig in eine passende Form.
Elefanten
Elefanten verständigen sich über Entfernungen von bis zu 20 Kilometern und merken sich die Standorte von Wasserquellen.
Delfine
Delfine haben erheblich größere Gehirne als Menschen und nutzen ihr ausgefeiltes auditorisches System zur Kommunikation und Echoortung.
Schimpansen
Schimpansen nutzen und fertigen bis zu 20 verschiedene Werkzeuge und setzen sie in wechselnden Zusammenhängen ein.