Forschung 05.09.2008, 19:37 Uhr

Superrechner verbindet Nervenzellen Chip für Chip zu einem künstlichen Gehirn  

VDI nachrichten, Lausanne, 5. 9. 08, ber – Wie funktioniert der Verstand? An einem Modell aus Bits und Bytes bauen Schweizer Forscher das Gehirn im Detail nach, um seine Fähigkeiten zu ergründen. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten Ärzte einsetzen, um außer Kontrolle geratene Nervenzellen wieder zur Vernunft zu bringen.

„Die Modellierung der Hirnfunktionen auf Zellebene ist ein komplexes Unterfangen, bei dem wir Hunderttausende von Einflussgrößen berücksichtigen müssen“, erläuterte der Forscher.

Als Blaupause für den Schaltplan des Gehirns dient nicht menschliches Nervengewebe, sondern ein in hauchdünne Schnitte zerlegter mikroskopischer Ausschnitt aus dem Großhirn junger Ratten.

Nervenzelle für Nervenzelle übertrug Markram auf Chip für Chip. So ist im Rechner ein neuroelektrischer Schaltkreis aus 10 000 Computerchips herangewachsen, der ebenso viele Nervenzellen mit 50 Mio. Verbindungsstellen nachbildet. Schon die Übertragung der Nervenverschaltungen aus der nur 2 mm hohen und 0,5 mm dicken Probe in ein Programm fordert volle Leistung von Blue Gene: mindestens 22,8 Billionen Rechenoperationen/s.

Doch das ist noch nicht alles. Um das Nervennetz im menschlichen Großhirn nachzubilden, müsste 1 Mio. solcher Hirnbausteine zusammengelegt und parallel berechnet werden. Markram will das System zudem so verfeinern, dass sich damit auch genetisch bedingte Effekte simulieren lassen. Eine Datenbank mit entsprechenden Informationen soll dafür mit dem Modell vernetzt werden.

Molekularbiologische Analysen zeigen, dass – vergleicht man alle Gewebe und Organe des Menschen miteinander – die Aktivität der rund 30 000 Gene im Gehirn nicht nur am höchsten, sondern auch am dynamischsten ist. Neben dem Lebensalter spiegeln sich auch Stress, der eigene Lebensstil, Veränderungen durch Schmerz oder hormonale Einflüsse in der Regulation der Nervenzellen wider.

Gelänge ein solch umfassendes Modell der biologischen Aktivität, so „wäre dies ein fantastisches Werkzeug, um die Wirkung von Medikamenten präzise zu simulieren“, glaubt Markram. Die Pharmaindustrie könnte sich zeit- und kostenaufwendige Versuche sparen.

So weit aber ist es noch nicht. Per Mausklick steuert der Forscher eine beliebige Zelle an, um ihren Signalaustausch mit anderen Neuronen zu verfolgen, und simuliert so, was bei einer Stimulation oder Störung im virtuellen Nervennetz geschieht.

Neurochirurgen übersetzen solche Einblicke in medizinischen Fortschritt. Ein neuartiger Hirnschrittmacher, der für jeden Patienten individuell und maßgeschneidert ein Stimulationsmuster berechnet, bescherte Kölner Neurochirurgen bei austherapierten Parkinsonpatienten bereits erstaunliche Erfolge.

„Während gesunde Nervenzellen ihre Signale gezielt und aufeinander folgend wie bei einer Dominokette von einer Zelle zur nächsten weitergeben, feuern bei Parkinsonkranken die Nervenzellen einer bestimmten Hirnregion synchron, das heißt alle gleichzeitig“, erläuterte Volker Sturm, Direktor der Klinik für Stereotaxie und Funktionelle Neurochirurgie an der Uni Köln. Die Folge: „Die Hände zittern stark, einfache Tätigkeiten wie Schuhebinden, Schreiben oder das Zuknöpfen der Kleidung werden unmöglich. Später kommen Steifheit und Verlangsamung hinzu. Schließlich ist der Patient bewegungsunfähig“, so Sturm.

Mit permanenten Stromstößen hoher Frequenz bewegen konventionelle Hirnschrittmacher die aus dem Takt geratenen Nervenzellen wieder zu einer sinnvollen Kommunikation. Rund 180 solcher Schrittmacher haben Sturm und sein Team im Vorjahr bei Patienten eingesetzt.

In schweren Fällen ist diese Methode jedoch buchstäblich ausgereizt. Der Jülicher Forscher Peter Tass hatte die Idee, die außer Kontrolle geratenen Neuronen mit milden und gezielt gesetzten elektrischen Reizen wieder näher an das Verhalten von gesunden Nervenzellen heranzuführen.

Sein am Forschungszentrum Jülich mithilfe ausgeklügelter mathematischer Modelle entworfenes Programm unterdrückt den krankhaften Rhythmus nicht, sondern korrigiert ihn. Das neue Verfahren ist bereits an ersten Patienten erfolgreich getestet worden. SILVIA VON DER WEIDEN /ber

Von Silvia Von Der Weiden/Bettina Reckter

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