Milliarden: Neurone, Euro, Dollar

Grafikerin: Meike Ufer
Milliarden: Neurone, Euro, Dollar
Autor: Arvid Leyh

Über eine Milliarde Euro und womöglich mehr als drei Milliarden Dollar werden in den nächsten zehn Jahren in die Hirnforschung gesteckt. Damit befindet sich der Neurowissenschaftler auf Augenhöhe zum Teilchenphysiker. Das ist neu.

Veröffentlicht: 30.05.2013

Das Wichtigste in Kürze
  • Das europäische Human Brain Project und die amerikanische BRAIN Initiative haben sich für die nächsten zehn Jahre hohe Ziele gesetzt: In Amerika geht es darum, jedes Spike eines jeden Neurons zu verfolgen, in Europa sogar um die Simulation eines menschlichen Gehirns.
  • Beides klingt sehr nach Science Fiction und ruft entsprechend viele Kritiker auf den Plan.
  • Tatsächlich fehlt es sogar noch an vielen notwendigen Methoden.
  • Dass dazu mit mehreren Milliarden unglaublich viel Geld in die Hand genommen wird, sorgt für weitere Kritik, denn diese Form von Big Science ist schwer zu koordinieren und das Geld wäre womöglich andernorts besser investiert.
  • Gleichwohl gab es in der Geschichte von Wissenschaft und Technik bislang wenig Vergleichbares. Das lässt für die Laufzeit der Projekte auf spannende Ergebnisse hoffen.

Es wird spannend: In den nächsten zehn Jahren werden über eine Milliarde Euro in das Human Brain Project und womöglich mehr als drei Milliarden Dollar in die BRAIN Initiative fließen. Rechnet man diese grob vier Milliarden Euro gegen die 86 Milliarden Nervenzellen des Gehirns, bekommt man aktuell nur 21,5 Neurone für den Euro. In der Hirnforschung ist das ein bislang ungekannter Wechselkurs. Der ihren wissenschaftlichen Marktwert festlegt: Er geht Richtung Teilchenbeschleuniger, bleibt aber deutlich unter einer Marsmission.

Die astronomische Perspektive passt gut, denn irgendwo in den unendlichen Weiten des Gehirns sind wir, seine Bewohner. Irgendwie wehen wir durch die Neurone. Und irgendwann wird die Wissenschaft auch herausfinden, wie das vonstattengeht. Der Zeitpunkt ist also gerade ein wenig näher gerückt: Am 18. Februar 2013 eröffnete die New York Times der staunenden Leserschaft, Präsident Obama höchstpersönlich unterstütze die Hirnforschung: Über zehn Jahre hinweg sollten 3,8 Milliarden Dollar zur Kartierung eines „jeden Spikes in jedem Neuron“ fließen – Finanzkrise hin oder her (Eine Reise ins Gehirn). Auch in Europa rieb man sich erstaunt die Augen. Doch hier war es das Déjà-​vu – nur wenige Tage zuvor hatte die EU Ähnliches vermeldet (Die Gehirnversteher).

Nicht nur zusammengenommen sind diese vier Milliarden ein erkleckliches Sümmchen Geld. Mit dem sich viel anstellen lässt. Und anderswo anstellen ließe, weshalb nicht die gesamte neurowissenschaftlichen Community glücklich mit dem neu erlangten Big-​Science-​Status ist. Zumal die Ziele beider Projekte sehr ambitioniert sind. Möglicherweise allzu ambitioniert.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Auge

Augapfel/Bulbus oculi/eye bulb

Das Auge ist das Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Lichtreizen – von elektromagnetischer Strahlung eines bestimmten Frequenzbereiches. Das für den Menschen sichtbare Licht liegt im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer.

Europa: Das Human Brain Project

Das Human Brain Project (HBP) verdankt seine Existenz dem vielleicht größten Wissenschaftswettbewerb aller Zeiten: je bis zu eine Milliarde Euro für zwei riskante Forschungsprojekte mit hohem Potenzial. Berater wie auch einer der 30 Kandidaten war der Südafrikaner Henry Markram von der École Polytechnique Fédérale in Lausanne mit einer – darauf konzentrierte sich die Tagespresse – Simulation des menschlichen Gehirns. Wenn dies überhaupt machbar ist, dann ist Markram wohl der richtige Mann: In Lausanne kann man im Blue Brain Project (BBP) bereits seit mehreren Jahren einige Zehntausend vernetzte Neurone aus dem Cortex einer Ratte begutachten.

Doch natürlich wirft das Human Brain Project Fragen auf: Um ein einzelnes Neuron zu simulieren, brauchte es vor kurzem noch ein Notebook. Der Ausschnitt des Rattencortex in Lausanne benötigt einen IBM-​Supercomputer. Nicht nur die Technik wird sich gewaltig strecken müssen, um einem menschlichen Gehirn gewachsen zu sein.

Doch das eigentliche Problem hat das Modell selbst. Denn je mehr wir über das Gehirn wissen, umso mehr neue Fragen tun sich auf: Welche Rolle spielen Gliazellen an den Synapsen? Sind primär sensorische Areale tatsächlich stark motorisch? Wie ist das Verhältnis eines Neurons zu seiner Zuständigkeit – verschiebt sie sich auf der Zeitachse? Um nur einige zu nennen.

Es sind spannende Erkenntnisse, die die Neurowissenschaftler Paper für Paper gewinnen – 60.000 davon jährlich. Markram ist sich dessen bewusst. Sein Ziel ist es, ein Modell zu entwickeln, das all diese Forschung fassen kann. Das wird dem Konzept immer wieder fundamentale Änderungen abverlangen, doch gleichzeitig hat der Südafrikaner genau mit dieser Frage Erfahrung: Wie müssen Hard– und Software komponiert sein, um Nervenzellen und –verbände zu simulieren? In die Schaffung eines „riesigen Ökosystems von Infrastruktur und Software“ sagt Markram in „Nature“, ging dann auch ein Großteil der Energie des BBP.

Dieser Simulations-​Aspekt des HBP hat damit im Grund zwei Aspekte: zum einen die simulierte Aktivität von Verbänden aus Tausenden oder Millionen von Neuronen. Das ist wichtig, denn hier klafft eine riesige Lücke in unserem Wissen. Zum anderen kann man die Simulation vielleicht als Spielart einer Datenbank für neurowissenschaftliches Wissen verstehen. So oder so: Dieses simulierte menschliche Gehirn wird auch in zehn Jahren kaum zu sprechen beginnen oder die Motorik eines Roboters steuern. Solches Verhalten ist auch nicht das Ziel. Gleichwohl sind Markrams Erwartungen hoch – im „Scientific American“ sprach er vom „most powerful flight simulator ever built.“

Dabei sorgt schon der ganze Ansatz für massive Kritik: Markrams „top down“ steht das „bottom up“ vieler Forscher gegenüber: Wie, so fragen sie, wollen wir das Ganze verstehen, wenn wir seine Teile nicht begreifen? Zu hoch gegriffen sei das Ziel, zu gewagt die Versprechungen, der Weg dorthin voller Unwägbarkeiten.

Doch die Simulation ist das nicht das einzige Ziel des HBP. Ein weiteres besteht darin, die europäische Hirnforschung zu bündeln und auf ein Ziel auszurichten. Dieser Lokalpatriotismus kommt der EU natürlich entgegen. Gleichzeitig erfordert er eine enorme Koordinationsleistung – immerhin sind 126 Institutionen als Partner beteiligt. Damit stellt sich aber auch die Frage, was mit denen geschieht, die zwar das Gehirn erforschen, aber nicht Teil des HBP sind? Und mit ihrer Arbeit? Bei aller Marktmacht nicht exklusiven Standards zu verfallen – das ist eine Herausforderung für das HBP.

Ein drittes Ziel des HBP ist die Entwicklung neuer Technologien, die bestenfalls eine ganz neue Generation von Consumer-​Hardware hervorbringen könnten. Auch das ist Science Fiction, aber auch das wird bereits beforscht.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

USA: Die BRAIN Initiative

Gestartet als Brain Acitivity Map präsentiert sich die BRAIN Initiative („Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies“) bislang als Begriff, der nur langsam an Konturen gewinnt. Weg und Ziel sind nur vage formuliert, aber immerhin sind die Partner bekannt, darunter als Koordinator die National Institutes of Health (NIH) und federführend das Weiße Haus. Die DARPA natürlich, der Wissenschaftsarm des amerikanischen Militärs. Diverse US-​amerikanische IT-​Giganten. Und das Allen Institute for Brain Research – wie auch beim HBP.

Viel mehr ist nicht bekannt. Auch nicht den Forschern – der endgültige Plan wird erst Ende des Jahres vorgestellt. Denn es herrscht Bewegung: Das grundlegende Paper aus dem Jahr 2012 in der Zeitschrift „Neuron“ war eine sehr vorsichtige Roadmap, die vom kleinen Fadenwurm C. elegans (302 Nervenzellen und 7.000 Verbindungen) über die Fruchtfliege (130.000 Neurone) zur Maus und dann, ganz langsam, zum Menschen führt. Um das etwas genauer einzuordnen: Das Ziel der BRAIN Initiative nimmt das Allen Institute mit einem Budget von 500 Millionen Dollar bereits vorweg. Für einen Kubikmillimeter mäusischen Cortex. Doch mit dieser Reduktion will man inzwischen „keine Zeit verlieren und menschliche und tierische Forschung parallel laufen lassen“, sagt NIH-​Direktor Francis Collins.

Eine weitere Unwägbarkeit ist die Finanzierung: Die eingangs genannten 3,8 Milliarden Dollar waren zwar in der Ankündigung zu lesen, doch je mehr Zeit verstreicht, umso geringer werden die genannten Summen. Zudem kann der US-​Kongress jederzeit das Funding kürzen. Muss es womöglich, so wie es um die Finanzen der USA aktuell steht.

Obama selbst hoffte in seiner 12-​minütigen Rede auf Erkenntnisse zu Alzheimer, Parkinson und anderen Krankheiten. Und: jobs that „we haven’t even dreamt up yet“. Und vermutlich befürchtet nicht nur der Psychologe und prominente Sachbuchautor Gary Marcus im „New Yorker“, dass die USA ihren Vorsprung im Bereich Computer-​Hirn-​Schnittstelle und künstlicher Intelligenz an Europa verlieren könnten. Ein Gedanke, der den „me-too“-Touch der BRAIN Initiative noch erhöht.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Intelligenz

Intelligenz/-/intelligence

Sammelbegriff für die kognitive Leistungsfähigkeit des Menschen. Dem britischen Psychologen Charles Spearman zufolge sind kognitive Leistungen, die Menschen auf unterschiedlichen Gebieten erbringen, mit einem Generalfaktor (g-​Faktor) der Intelligenz korreliert. Demnach lasse sich die Intelligenz durch einen einzigen Wert ausdrücken. Hierzu hat u.a. der US-​Amerikaner Howard Gardner ein Gegenkonzept entwickelt, die „Theorie der multiplen Intelligenzen“. Dieser Theorie zufolge entfaltet sich die Intelligenz unabhängig voneinander auf folgenden acht Gebieten: sprachlich-​linguistisch, logisch-​mathematisch, musikalisch-​rhythmisch, bildlich-​räumlich, körperlich-​kinästhetisch, naturalistisch, intrapersonal und interpersonal.

Risiken …

Die Mondlandung war ein Erfolg. Doch schon beim Human Genome Project, der Entschlüsselung des menschlichen Genoms, zeigten sich Fragenzeichen: Hat es wirklich für jeden investierten Dollar 140 Dollar zurückgespielt, wie von Obama erklärt? Manche sagen, jenseits der Erkenntnis hätte es nichts gebracht. Und war am Ende mit Craig Venters „Celera“ nicht doch ein einzelnes Unternehmen schneller?

Dazu kommt: Das Human Genome Project war, mit Verlaub, im Gegensatz zu den beiden Projekten der Hirnforschung ein Kindergeburtstag. Bekannt waren die Methoden und bekannt war auch das Ziel. So leicht hat es die Hirnforschung nicht. An allen Ecken und Enden fehlt die benötigte Technik. Um die Wissenslücke in der mittlere Ebene der Hirnforschung, also die zwischen großflächigen bildgebenden Verfahren und winzigen Einzelzellableitungen zu schließen, braucht es Techniken, die noch lange nicht entwickelt sind.

Dazu kommt das zweite fundamentale Problem: Die schiere Größe von Big Science stellt beide Projekte vor Herausforderungen in der Produktion und Logistik von Wissen. Alle die kleinen Rädchen müssen ineinandergreifen – alle Super-​IT bringt nichts, wenn die erforderlichen Methoden nicht zur Verfügung stehen. Und wenn beides vorhanden ist, beginnt das nächste Problem: Ein Petabyte hat eine Million Gigabyte. Der LHC in Genf produziert derer 10 pro Jahr. Die 86 Milliarden Neurone des menschlichen Gehirns 300.000. Das stellt ganz neue Herausforderungen an Moores Gesetz.

Der vielzitierte Kritiker der BRAIN Initiative Donald G. Stein von der Emory University nennt einen dritten großen Kritikpunkt, wenn er sagt:„Nach meiner Meinung ist das wissenschaftliche Paradigma hinter dem Kartierungsprojekt mindestens überholt, wenn nicht komplett falsch“.

Und was ist in zehn Jahren, wenn sich die Hoffnungen nicht erfüllen? Hier stellt William Newsome von der Stanford University in Wired fest, dass Obama von einer Herausforderung für das 21. Jahrhundert gesprochen habe – nicht von einer Dekade. Er fürchtet – obwohl ein Befürworter des Projekts –, dass ein Misserfolg die Glaubwürdigkeit des ganzen Feldes zerstören könnte.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Und nun?

Wer je in einer Beziehung gelebt hat weiß, wie kompliziert die Menschen sind. Sie zu simulieren oder auch nur ihr Konnektom funktional in Echtzeit darzustellen, bedeutet eine enorme Aufgabe bei – wie von der EU gewünscht – hohem Risiko. Von daher muss die Frage gestattet sein: Sollte die Hirnforschung nicht mehr Geld bekommen als die Marsmission? Denn sie neigt dazu, mit jeder Antwort drei neue Fragen zu liefern.

Doch bei aller Kritik und Utopie: Das Human Brain Project genauso wie die BRAIN Initiative werden uns auf absehbare Zeit mit einem Strom an faszinierenden Daten versorgen.

Vor uns liegen spannende Jahre!

zum Weiterlesen:

  • Website des Human Brain Project, URL: http://​www​.human​brain​pro​ject​.eu [Stand: 30.05.2013]; zur Webseite
  • BRAIN-​Initiative beim NIH, URL: http://​www​.nih​.gov/​s​c​i​e​n​c​e​/​b​rain/ [Stand: 30.05.2013]; zur Webseite
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2 Kommentare

Stefan Pschera 20.01.2017
Es ist doch schon alles bekannt.

Neuronen sind über Synapsen verbunden. Die Erregungen rasen von den Rezeptoren zu den Erfolgsorganen durch. Etliche dieser Bahnen werden gehemmt. Ansonsten wäre es ein Hin und Her am Ausgang. Die eine Bahn will dies, die andere eine andere Handlung. Dazwischen tun die Astrozyten. Astrozyten überwiegen in der Menge gegenüber den Neuronen. Trotzdem bleiben die Astrozyten beim Brainprojekt außen vor.

Das Brainprojekt soll das HirnPrinzip finden. Dies wird es nicht. Im Gegenteil, die Menge wird verwirren. ABER: die verworrenen Bahnen zeigen Evolution. Warum? Weil diese durch die Evolution ganz spezifisch geprägt wurden. Auch schon bekannt.

Gabriella .. 20.01.2017
Was steckt dahinter? Wer wird davon profitieren? Wer sind (wirklich) die Geldgeber? Was ist ihr Ziel ? Wooofür würden sie dieses Wissen einsetzen ? Wie viele Menschen und Tiere ist man bereit noch zu opfern für diese Forschung ? Das sind Fragen , die mir ungutes Gefühl bereiten wenn ich so etwas lese. Wobei ich nicht mal das ganze Bericht gelesen habe. Ich habe es nie geschafft. Ich fühle mich nicht wohl dabei

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