Simulerer hjernen i superdatamaskin

For første gang har forskere satt seg som mål å simulere hele menneskehjernen i en superdatamaskin.

Når hjernen din jobber, sender hjernecellene elektriske signaler til hverandre - litt på samme måte som komponentene i en datamaskin når den er i gang.

Sveitsiske forskere har bestemt seg for at man har samlet så mye kunnskap om hvordan hjernecellene sender disse signalene - og hvilke celler som sender til hvem, at det er på tide å samle all informasjonen i en diger datamaskin for å simulere det du bærer rundt på inni hodeskallen.

Nytt forskningsfelt?

- Dette kan bringe fram et nytt område på hjerneforskningsfeltet, sier professor Henry Markram ved Brain Mind Institute ved Ecole Polytechnique Fedreal de Lausanne i Sveits, til forskning.no.

Han leder prosjektet som har fått kallenavnet Blue Brain - fordi det benytter seg av en spesiallaget versjon av IBMs superdatamaskin Blue Gene, som for tiden er rangert som verdens beste. Spesialbygde Blue Brain er på størrelse med fire kjøleskap.

Sammen med kollegaene vil Markram bruke de neste to årene til å simulere neocortex - den største og mest sammensatte delen av menneskehjernen.

Kolonne

I første omgang begynner de med de såkalte kolonnene. Neocortex er nemlig organisert i tusenvis av kolonner med nevroner (hjerneceller). Hver kolonne har en diameter på 0,5 millimeter, er to millimeter høy, og består av 60 000 celler hos mennesker. Cellene er knyttet sammen med rundt fem kilometer med nervetråder.

- Kolonnen synes å være en meget vellykket kretsdesign som ble kopiert om og om igjen til å bli nesten 80 prosent av menneskehjernen (millioner av kolonner ble lagt til).

- Hos mennesker fortsatte dupliseringsprosessen så raskt at neocortex begynte å folde seg for å gjøre plass til de nye kolonnene, og dermed ble de svært sammenfoldede hjernevindingene dannet, heter det på prosjektets egne hjemmesider.

"Hjerneceller i kolonne. (Bilde: Brain Mind Institute, Ecole Polytechnique Fedreal de Lausanne)"
"Hjerneceller i kolonne. (Bilde: Brain Mind Institute, Ecole Polytechnique Fedreal de Lausanne)"

- Dataene som er samlet om mikrostrukturen og funksjonen til kolonnen har nådd et kritisk detaljnivå hvor det er mulig å begynne en systematisk rekonstruksjon.

- Vi har nesten en komplett digital beskrivelse av strukturen og de funksjonelle reglene i kolonnen. IBMs superdatamaskin gjør det mulig å samle all kunnskapen fra det siste hundreåret i en modellkopi av kolonnen.

Kraftige hjerner

Skalaen på prosjektet sier oss noe om hvor kraftige hjerner vi bærer rundt på i hodene våre: Det kreves en av verdens aller beste datamaskiner med over 8 000 prosessorer for å lage en modell av en byggestein i hjernen som er 0,5 x 2 millimeter stor.

Eller illustrert på en annen måte: Datamaskinen som forskerne har kjøpt av IBM har kostet rundt 50 millioner kroner og kan behandle data i en fart på 22,8 teraflops (flops = floating point operations). Det høres kanskje ikke så mye ut, men én teraflops står for 1 000 milliarder flyttallsoperasjoner i sekundet - og det er mye:

"Tre hjerneceller som er knyttet tett sammen med nervetråder for å utveksle informasjon før de sender informasjonen ut fra neocortex. (Bilde: Brain Mind Institute, Ecole Polytechnique Fedreal de Lausanne)"
"Tre hjerneceller som er knyttet tett sammen med nervetråder for å utveksle informasjon før de sender informasjonen ut fra neocortex. (Bilde: Brain Mind Institute, Ecole Polytechnique Fedreal de Lausanne)"

Dersom du kjøper en helt ny og kraftig hjemmedatamaskin i dag, regner den kanskje i en fart på seks gigaflops. Det vil si at Blue Brain tilsvarer rundt 4 000 av dagens beste hjemmedatamaskiner - og det bare for å simulere en av de ørsmå byggesteinene i hjernen din.

Vil simulere hele hjernen

Etter å ha bygget den første kolonnen skal forskerne gå dypere ved at strukturen i neocortex modelleres helt ned på molekylnivå til genetiske simuleringer.

Samtidig skal antallet kolonner kopieres i et forsøk på å rekapitulere den evolusjonære prosessen - for å bygge hele regioner av neocortex. Modellene skal forenkles for å simulere hele neocortex, og til slutt hele hjernen - på cellenivå.

Forskerne tror det vil ta to år å simulere én enkelt kolonne. Deretter planlegger de å bruke en enda større datamaskin til å simulere hele hjernen - noe som kan ta ti år å få til.

Det er avhengig av at superdatamaskinene fortsetter å bli kraftigere, og at forskerne først begynner med å simulere dyrehjerner, for å sammenligne dette med eksperimentelle data.

- Som å kartlegge genomet eller lande på Månen

Å forstå hvordan hjernen virker har vært en av vitenskapens aller største utfordringer. Ved å kjøre simuleringer av hjerneprosesser håper forskerne å lære mye mer om hvordan mennesker tenker og husker.

De håper også å lære mer om sykdommer som autisme, schizofreni, depresjon og andre psykologiske problemer som er forårsaket av ødelagte eller defekte kretser i hjernen.

- Jeg mener dette vil bli et landemerke for hjerneforskningen, og jeg ser byggingen av kolonnen i neocortex på samme nivå som å kartlegge det menneskelige genomet eller lande på Månen, sier Markram.

Én dags arbeid på sekunder

Han mener slike datamodeller vil kunne sette enorm fart i hjerneforskningsfeltet.

- Mye av planleggingen og forhåndstestingen som vanligvis kreves før man setter i gang et stort eksperiment vil kunne gjøres i datamaskinen heller enn på laboratoriet.

- Med visse simuleringer forventer vi at en full arbeidsdag på laboratoriet kan gjøres på sekunder i datamaskinen, sier Markram.

- Som å sette bøker inn i et bibliotek

Professor Edvard Moser, direktør for Centre for the Biology of Memory ved NTNU i Trondheim, mener tilnærmingen har en del for seg.

- Det er kommet frem så mye informasjon om hvordan hjernen virker, at det er umulig for en enkelt forsker å ha oversikt. Samtidig er det viktig å huske at det å samle all informasjonen i en datamaskin ikke nødvendigvis er det samme som å forstå mer om hvordan hjernen virker.

- Du kan sammenligne det med å sette bøker inn i et bibliotek - du er avhengig av at noen leser dem også, sier Moser.

Han forklarer at det ikke er uvanlig å lage datamodeller av hvordan hjernen virker. Fagfeltet heter “computational neuroscience” eller nevroinformatikk.

- Viktig del

- Jeg er imidlertid usikker på hvor store modeller det er mest hensiktsmessig å lage. Problemet er hvordan man skal sette sammen all informasjonen i datamaskinen. Det er det nemlig mennesker som må gjøre. Du kan sammenligne det med en person som leser flere bøker i biblioteket og setter informasjonen i sammenheng, sier Moser.

- Dette er et relativt nytt og veldig økende forskningsfelt som krever en voldsom regnekraft. Tilnærmingen har sine begrensninger, men den har et veldig potensial også, og er en viktig del av nevrovitenskapen, sier han.

Lenker:

Brain Mind Institute: Blue Brain Project
IBM: Pressemelding om prosjektet

Powered by Labrador CMS