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Simulation des Gehirns: Mit Mathematik der Komplexität des Gehirns auf der Spur

Das Gehirn ist eine gigantische Schaltzentrale. Jülicher Wissenschaftler entwickeln mathematische Modelle, um seine Funktionsweise besser zu verstehen.
Simulation des Gehirns: Mit Mathematik der Komplexität des Gehirns auf der Spur

Forschungszentrum Jülich

Veröffentlicht am: 25.03.2015

Laufzeit: 0:10:46

Sprache: deutsch

Das Forschungszentrum Jülich gehört zu den größten wissenschaftlichen Einrichtungen in Europa. Mit seinen Supercomputern betreibt es Forschung auf den Gebieten Gesundheit, Energie, Umwelt und Information.

In unserem Kopf geht es zu wie zur Rush Hour im Verkehr: Informationen rauschen über zahlreiche Verbindungen zwischen den Nervenzellen hin und her. Dabei kennen wir das »Straßennetz« im Gehirn immer besser, wissen aber noch nicht ganz genau, welchen Weg jedes Fahrzeug an jeder einzelnen Stelle einschlägt, wie also die Informationen fließen.

Wissenschaftler des Jülicher Instituts für Neurowissenschaften und Medizin (INM-6 / IAS-6) behelfen sich daher mit Computersimulationen, um dieses Treiben besser zu verstehen. Doch es gibt einen Haken: Das Netzwerk in unserem Kopf ist unglaublich komplex. Der Versuch, so ein gigantisches Netzwerk zu simulieren, zwingt selbst die leistungsstärksten Rechner der Welt in die Knie.

Rund 100 Milliarden Nervenzellen sorgen im Gehirn dafür, dass wir denken, Bücher lesen, joggen, über Witze lachen können und vieles mehr. Jede Nervenzelle besitzt im Schnitt etwa 10 000 Kontaktstellen, sogenannte Synapsen. Über diese leiten sie Informationen als elektrische Impulse an andere Nervenzellen weiter.

Nur ein kleiner Prozentsatz der Hirnaktivitäten lässt sich derzeit tatsächlich simulieren. Um dennoch Rückschlüsse aufs gesamte Gehirn zu ziehen, arbeiten die Forscher mit vereinfachten Netzwerken. Von denen schließen sie dann auf das große Ganze. Dabei gibt es jedoch ein Problem: Schon das Zusammenspiel zweier Neuronen, Korrelation genannt, zeigt den Forschern im vereinfachten Modell Grenzen auf. Dennoch haben diese verkleinerten Modelle ihre Berechtigung, denn die Abweichungen vom biologischen Vorbild lassen sich in einem gewissen Ausmaß mathematisch ausgleichen.

Das große Ziel der Forscher ist die Simulation großer Teile des Gehirns. Damit die Vision Realität wird, arbeiten die Jülicher Wissenschaftler im Bereich Computational and Systems Neuroscience zweigleisig. Zum einen entwickeln sie seit vielen Jahren zusammen mit Hirnforschern in aller Welt die Simulationssoftware namens NEST. Diese wollen sie, etwa im Rahmen des Human Brain Projects, auf Höchstleistungscomputern der nächsten Generation zur Anwendung bringen, die womöglich das gigantische Netzwerk des Gehirns simulieren können. Darüber hinaus sind sie beteiligt an der Entwicklung von neuromorphen Computer. Das Design dieser Computer ist direkt an den Aufbau des menschlichen Gehirns angelehnt und ermöglicht es so, die Aktivität in neuronalen Netzwerken sehr effizient zu berechnen.

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