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Dienstag, 27.02.2018

Bauplan fürs Gehirn

Das Human Brain Project, an dem auch Dresdner Forscher beteiligt sind, will das Gehirn in den Computer bringen. Jetzt gibt es erste Erfolge.

Von Jana Mundus

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Die perfekte Maschine sitzt im Kopf. So effizient wie das Gehirn arbeitet bis jetzt kein Computer. Das soll sich ändern.
Die perfekte Maschine sitzt im Kopf. So effizient wie das Gehirn arbeitet bis jetzt kein Computer. Das soll sich ändern.

© Abb.: 123rf.com

  • Die perfekte Maschine sitzt im Kopf. So effizient wie das Gehirn arbeitet bis jetzt kein Computer. Das soll sich ändern.
    Die perfekte Maschine sitzt im Kopf. So effizient wie das Gehirn arbeitet bis jetzt kein Computer. Das soll sich ändern.
  • Bis zum Jahr 2020 soll der Dresdner Chip noch mehr können als jetzt, verspricht Christian Mayr: die ganze Arbeit unserer Hirnzellen.
    Bis zum Jahr 2020 soll der Dresdner Chip noch mehr können als jetzt, verspricht Christian Mayr: die ganze Arbeit unserer Hirnzellen.

Die riesige Erinnerungsmaschine, der grandiose Wissensspeicher in unserem Kopf ist eigentlich ein Winzling. Das menschliche Gehirn wiegt nur gut anderthalb Kilogramm. Das ist lediglich ein Bruchteil des Körpergewichts. Doch auch die Kleinsten geben Rätsel auf. Wie genau das Gehirn funktioniert, das ist nämlich bis heute unklar. Das Wunderwerk aus Nervenzellen und Synapsen ist umgeben von Geheimnissen. Schon seit Jahren hilft der Dresdner Wissenschaftler Christian Mayr dabei, zumindest auf einige Fragen Antworten zu finden. Er tut das in einem der größten Forschungsprojekte der Europäischen Union – dem Human Brain Project.

Eigentlich ist Christian Mayr Elektrotechniker. Im Studium beschäftigte er sich mit Schaltkreisen, Messgeräten und elektrischen Maschinen. Doch schon immer begeisterte ihn vor allem eines: das menschliche Gehirn. „Als Ingenieur ist es faszinierend zu sehen, dass das Gehirn so stabil läuft.“ Wie die Kommunikation zwischen den winzigen Bauteilen, den Nervenzellen, reibungslos durch die Synapsen-Verbindungen funktioniert. Der menschliche Geist – die perfekte große Maschine.

Kann der Mensch einen Computer bauen, der genauso effektiv arbeitet wie sein eigenes Gehirn? Diese Frage war vor 15 Jahren der Ursprung für das heutige Human Brain Project. Während des Schreibens seiner Doktorarbeit erfuhr Christian Mayr damals davon und war sofort fasziniert. Er begleitete die Schritte hin zu einem europäischen Großprojekt – und sorgt nun dafür, dass die TU Dresden ein wichtiger Teil dieser Wissenschaftsallianz ist.

Über 100 Einrichtungen in Europa arbeiten am Projekt. Neben Neurowissenschaftlern und Ärzten gehören auch Informatiker, Physiker und Mathematiker dazu. Sie verfolgen drei Ziele. Zum einen wollen sie das Modell eines Gehirns in den Computer bringen. Für diese Simulation auf einem Superrechner liefern die Dresdner wichtige Elektronik und bauen spezielle Chips, die am Ende die Arbeit von 80 Milliarden Nervenzellen nachahmen sollen. Der Supercomputer entsteht im Forschungszentrum Jülich. Mit zwölf Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde wird er der schnellste Rechner Deutschlands. Ein erster Teil soll bis Mitte 2018 stehen.

Zweites Ziel: Aus dem gesammelten Wissen rund um das Gehirn sollen neuartige Computer entstehen. Wie das lebendige Vorbild sollen sie extrem leistungsstark sein und dabei möglichst wenig Energie verbrauchen. Denn auch in dieser Frage ist die menschliche Schaltzentrale einzigartig. Das Gehirn benötigt für seine hochkomplexe Arbeit weniger Energie als eine 60-Watt-Glühbirne. In einem dritten Schritt will das Projekt das gesammelte Wissen über das Gehirn verfügbar machen. Damit Wissenschaftler weltweit mit dem Datenmaterial die großen Rätsel rund um die Materie in unserem Kopf entschlüsseln können.

Vor allem beim Erforschen von Hirnerkrankungen könnte das eine große Hilfe sein. Experten rechnen damit, dass deren Auftreten in Zukunft ansteigen wird. Weil die Menschen immer älter werden und sich das gesellschaftliche Leben wandelt, werden auch Krankheiten wie Depressionen, Demenz und Epilepsien zunehmen. Schon heute erleiden beispielsweise in Deutschland 270 000 Patienten pro Jahr einen Schlaganfall. Schätzungen zufolge sind in Europa 220 Millionen Menschen von Hirnerkrankungen betroffen. Die Gesamtkosten für deren Behandlung betragen europaweit über 800 Milliarden Euro.

Das Vernetzen des Wissens rund um das Gehirn sei deshalb wichtig, erklärt Christian Mayr. Er ist heute Professor für Hochparallele VLSI-Systeme – also Chips mit mehr als 100 000 Bauteilen – und Neuromikroelektronik an der TU Dresden. Zwar würden jährlich viele neue Veröffentlichungen rund um das Thema erscheinen. Doch all diese Informationen werden noch nicht an einem Punkt gesammelt. „Wir haben einfach zu wenig Daten, um die Spreu vom Weizen zu trennen.“

Bis zum Jahr 2023 läuft das Human Brain Project der EU noch, das bis jetzt mit 470 Millionen Euro unterstützt wird. Die Dresdner sind mit ihrem Puzzleteil überpünktlich. Bereits 2020 soll der Super-Chip fertig sein, der die Arbeit der vielen Milliarden Nervenzellen nachstellen kann. Mit seinem 35-köpfigen Team an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Dresden arbeitet Christian Mayr aber schon an neuen Ideen.

Es geht um spezielle Implantate, die im Gehirn Daten sammeln sollen. Informationen darüber, was genau im Kopf passiert. Mit aktuellen Methoden sind solche detailreichen Aufzeichnungen nicht möglich. Die Dresdner wollen tief hinein, ran ans Gewebe, ran an die Synapsen. „Um neue Therapiemöglichkeiten zu entwickeln, brauchen wir viel mehr Kanäle ins Gehirn, mit denen wir Daten sammeln können.“ Bis Ende des Jahres soll ein erster Prototyp entstehen. Bis der in die Anwendung geht, könnten jedoch noch Jahre vergehen. Die biologische Forschung, sagt Mayr, braucht Zeit.

Das Beschäftigen mit dem Wunderwerk hinter unserer Stirn macht Christian Mayr nun noch einmal zum Studenten. Vor wenigen Tagen hat er sich für den Promotionsstudiengang Neuroinformatik in Zürich angemeldet. Er will noch tiefer einsteigen ins faszinierende Thema. „Wer sich mit Neurowissenschaften beschäftigt, der wird zwangsläufig philosophisch, vielleicht sogar religiös.“ Weil derjenige erkennt, wie komplex das Gehirn gebaut ist und was es leistet. Es kommt einem Wunder gleich.

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