Simulationen helfen uns zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert
Das menschliche Gehirn ist bemerkenswert komplex. Obwohl es aus 86 Milliarden Neuronen mit 150 Billionen Verbindungen besteht, verbraucht das Gehirn so wenig Energie, wie eine typische LED-Glühbirne zum Leuchten benötigt. Aber lassen Sie sich von dieser Energieeffizienz nicht hinters Licht führen. „Das Gehirn beherbergt derartig viele Informationen, dass es selbst mit der Leistung aller verfügbaren Rechenzentren der Welt unmöglich wäre, das Gehirn eines einzigen Menschen auf molekularer Ebene zu simulieren“, sagt Petra Ritter, die Leiterin der Brain Simulation Section an der Charité – Universitätsmedizin Berlin. „Selbst wenn eine solche Simulation physikalisch möglich wäre, würde sie einen enorm hohen Energieverbrauch haben.“ Mit Unterstützung des BrainModes-Projekts machten sich Ritter und die Abteilung für Gehirnsimulation daran, eine effizientere Methode zur Nachahmung des Gehirns zu entwickeln. „Die Gehirnsimulation hilft uns nicht nur zu verstehen, wie unser Gehirn funktioniert, sondern auch personalisierte Therapien für die Behandlung von Hirnerkrankungen zu entwickeln“, fügt Ritter hinzu.
Das virtuelle Gehirn
Das BrainModes-Konzept nutzt individuelle Bildgebungsdaten, die mittels Magnetresonanztomographie (MRT), Positronenemissionstomographie (PET), Elektroenzephalogrammen (EEG) und Magnetenzephalographie (MEG) erhoben werden, um digitale Kopien des Gehirns einer Person zu erstellen. „Diese personalisierten Computergehirnmodelle, die wir als virtuelle Gehirne bezeichnen, ermöglichen es den Nutzenden, auf mehrskalige Mechanismen der Gehirnfunktion zu schließen“, erklärt Ritter. Im Rahmen des Projekts konnte das Forschungsteam beispielsweise demonstrieren, wie mit Hilfe der Modellierung von Gehirnnetzwerken auf mehrskalige neuronale Mechanismen geschlossen werden kann. Das Projekt erweiterte außerdem The Virtual Brain, eine Online-Plattform, mit der Gesundheitsforschende auf einfache Weise Gehirnsimulationen erstellen können, um das Gehirn in verschiedenen Detailstufen zu simulieren. Dieses Multiskalen- und Co-Simulationswerkzeug ist jetzt über EBRAINS verfügbar. Da diese Simulationswerkzeuge Patientendaten verwenden und in der Cloud existieren, mussten die Forscherinnen und Forscher sicherstellen, dass die Werkzeuge mit der Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) im Einklang sind. „Durch den Einsatz durchgängiger Verschlüsselung, Zugriffskontrolle und Sandbox-Technologie sind wir nicht nur konform mit der Datenschutz-Grundverordnung, vielmehr sind alle hochgeladenen Daten absolut sicher und geschützt“, so Ritter. Aufbauend auf der Datenschutzkomponente von BrainModes leitet Ritter derzeit das EU-finanzierte Projekt VirtualBrainCloud, das darauf abzielt, eine sichere Cloud-Forschungsinfrastruktur für komplexe Simulationen aufzubauen, bei denen Gesundheitsdaten zur Verwendung kommen.
Der heilige Gral der Neurowissenschaft
Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts BrainModes ist es erstmals gelungen, mit Hilfe von personalisierten, mehrskaligen Gehirnsimulationen komplexe Prinzipien der Gehirnfunktion abzuleiten. „Die Simulation des menschlichen Gehirns stellt den heiligen Gral der Neurowissenschaften dar – sie bietet ein bahnbrechendes Werkzeug, mit dem wir verstehen können, wie unser Gehirn funktioniert und wie man mit Störungen wie Schlaganfall und Epilepsie oder neurodegenerativen Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson umgehen kann“, sagt Ritter. Alle die Instrumente und Software, die im Rahmen des Projekts entwickelt wurden, stehen nun auch anderen Forschenden zur Verfügung. „Das Vermächtnis des Projekts ist die Arbeit, die von der Forschungsgemeinschaft unter Verwendung der von uns entwickelten und validierten Simulationswerkzeuge geleistet wird“, schließt Ritter. „Wir hoffen, dass diese Instrumente bald auch in der klinischen Praxis eingesetzt werden, wo sie einen positiven Einfluss auf die Gesundheit und das Wohlbefinden der Patienten haben werden.“
Schlüsselbegriffe
BrainModes, Neurowissenschaften, Simulationen, Bildgebungsdaten, Gehirnsimulationen, Gehirnerkrankungen, Gehirnfunktion, DSGVO, Schlaganfall, Epilepsie, Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit
