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Das Human Brain Project

Im größten Forschungswettbewerb der Europäischen Union war das „Human Brain Project“ erfolgreich, ein auf zehn Jahre mit einem Volumen von über einer Milliarde Euro angelegtes Großvorhaben. In ihm sollen das menschliche Gehirn elektronisch nachgebaut und seine Funktionen in neu entwickelten Supercomputern simuliert werden.

Ein von Heidelberger Wissenschaftlern unter Leitung von Professor Karlheinz Meier konstruierter „neuromorpher“ Chip. © Kirchhoff-Institut für Physik, Universität Heidelberg

Am 28. Januar 2013 stellte Neeli Kroes, EU-Kommissarin für die Digitale Agenda und Vizepräsidentin der Kommission, die beiden Gewinner der Ausschreibung der „Flaggschiff-Initiative“ (FET-Flagship: „Future and Emerging Technologies Flagship“) vor. Es sind die größten Förderungen für wissenschaftliche Projekte, die jemals in Europa finanziert worden seien, verkündete die Kommissarin. Als Flaggschiffe, die mit je etwa einer Milliarde Euro für die nächsten zehn Jahre ausgestattet werden und Europa zur „Supermacht des Wissens“ machen sollen, wurden zwei Großprojekte ausgewählt, die sich in einem mehrere Jahre dauernden Begutachtungsverfahren gegen 19 konkurrierende Projekte durchgesetzt hatten: erstens die Erforschung des "Wundermaterials" Graphen, einer erst 2004 beschriebenen Modifikation des Kohlenstoffs, und zweitens das „Human Brain Project“, mit dem die Funktionen des menschlichen Gehirns im Supercomputer simuliert werden sollen.

Prof. Dr. Karlheinz Meier, Ko-Direktor des Human Brain Project © Kirchhoff-Institut für Physik, Universität Heidelberg

Das Human Brain Project (HBP), an dem über 80 Institutionen aus 19 europäischen Ländern sowie den USA, Israel, Argentinien, Japan und China beteiligt sind, war in mehr als dreijähriger Vorarbeit entwickelt worden. Entscheidend vorangetrieben wurde es von dem Neurowissenschaftler Prof. Dr. Henry Markram von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), der jetzt das Gesamtvorhaben koordiniert, und Prof. Dr. Karlheinz Meier vom Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg, der als Ko-Direktor den naturwissenschaftlich-physikalischen Bereich des Projektes leitet.

Gegenwärtig beteiligen sich am HBP 256 führende Wissenschaftler und ihre Mitarbeiter in den Forschungsgebieten der Molekularen und Zellulären Neurowissenschaften, der Kognitiven und der Theoretischen Neurowissenschaften sowie - als Kern des Projektes - sechs großen Plattformen der Informations-und Kommunikationstechnologien (ICT). Hinzu kommen die Abteilungen Ethik und Gesellschaft sowie das Management des Gesamtprojektes. Die ICT-Plattformen sind: (i) Neuroinformatics; (ii) Brain Simulation; (iii) Medical Informatics; (iv) High Performance Computing; (v) Neuromorphic Computing; und (vi) Neurorobotics. Aus Deutschland sind 55 Arbeitsgruppen in das Projekt eingebunden, oft an entscheidender Stelle. So werden – neben der vom Heidelberger Kirchhoff-Institut koordinierten Plattform Neuromorphic Computing – die Plattformen High Performing Computing vom Forschungszentrum Jülich und die Plattform Neurorobotics von der Technischen Universität München koordiniert.

Vorarbeiten

Als Vorläufer des HBP gilt das von Markram am EPFL entwickelte „Blue Brain Project“, in dem ein Grundbaustein des Gehirns einer Ratte, eine aus 10.000 Neuronen bestehende (neo)kortikale Säule, auf zellulärer Ebene im Computer simuliert wird. Die im Modell ablaufenden Prozesse werden von experimentell erzeugten Daten angetrieben und in einem Supercomputer mit achttausend IBM-Prozessoren („Big Blue“) automatisch ausgeführt. Inzwischen zeigt das Modell Verhaltensweisen, die denen der neurowissenschaftlichen Experimente am Rattenhirn entsprechen. Diese Bausteine sollen als Grundlage dienen, um im HBP in großem Maßstab Simulationsmodelle zu entwickeln, die zu einem vollständigen virtuellen Gehirn hinführen.

„Eine Vision, jedoch realistisch“, meint Markram. Was sich hinter dieser Zuversicht verbirgt, sollen ein paar Zahlen verdeutlichen: Von den stecknadelkopfgroßen Elementareinheiten der kortikalen Säulen gibt es im Rattenhirn etwa 100.000; das entspricht einer Milliarde miteinander verschalteter Neuronen. Kaum vorstellbar werden die Dimensionen beim Menschen. Seine Großhirnrinde ist aus etwa zwei Millionen kortikaler Säulen aufgebaut, von denen jede 100.000 Neuronen, also zehnmal mehr als bei der Ratte enthält. Das ergibt 200 Milliarden Neuronen.

Das BrainScaleS Project am Kirchhoff-Institut © Universität Heidelberg

Die Arbeitsgruppe von Karlheinz Meier am Kirchhoff-Institut verfolgt einen anderen Ansatz, um hochkomplexe neuronale Netzwerke zu simulieren. Sie baut elektronische Schaltungen, die wie Neuronen und ihre synaptischen Verbindungen funktionieren. Mit modernen Chip-Technologien können elektronische Schaltungen hergestellt werden, die neuronalen Netzwerken entsprechen. Der erste entwickelte „Heidelberger Netzwerkchip“ war 5x5 mm groß und besaß 384 künstliche Neuronen mit 100.000 Synapsen. In ihrem "BrainScaleS Project" haben die Forscher das Herstellungsverfahren revolutioniert. Sie verwenden jetzt große Siliziumscheiben (Wafers), auf denen Chips in großer Dichte miteinander verbunden sind. Dieses „neuromorphe“ System umfasst bereits 200.000 Neuronen und 50 Millionen Synapsen. Es ähnelt in seinem Verhalten bereits stark dem biologischen Vorbild neuronaler Netze: Es zeigt Lernfähigkeit, Fehlertoleranz und Plastizität, das heißt, es kann sich (teilweise) selbst organisieren. Meier strebt an, die Leistung des Systems im Rahmen der Projektplattform für neuromorphes Rechnen des HBP weiter um ein Vieltausendfaches zu erhöhen. Am Ende der Aufbauphase stünde das bei Weitem größte neuromorphe System der Welt zur Verfügung, dessen Leistungsfähigkeit dem Gehirn eines mittelgroßen Säugetiers entspricht, und an dem auch die anderen Partner Experimente durchführen können.

Diese Entwicklungen setzen voraus, dass die gewaltigen Datenmengen auch verarbeitet werden, um die Kommunikation der Millionen künstlichen Nervenzellen zu verstehen. Die Plattform Neuromorphic Computing ist daher eng mit der High Performance Computing Plattform verknüpft, in deren Rahmen am Forschungszentrum Jülich die für das HBP benötigten Supercomputer aufgebaut werden.

Finanzierung und Aufbau der HBP-Infrastruktur

Allerdings ist die Finanzierung des neuen, auf 80 Milliarden Euro für die Jahre 2014-2020 geplanten EU-Forschungsrahmenprogramms (genannt „Horizon 2020“), in dem die FET-Flagship-Projekte angesiedelt sind, noch nicht gesichert. Bislang haben sich die europäischen Staats- und Regierungschefs angesichts der Finanzkrise nicht auf den von der EU-Kommission vorgeschlagenen Gesamt-Finanzrahmen einigen können. Der HBP-Antrag sieht für die zehnjährige Projektlaufzeit ein Gesamtvolumen von 1,190 Milliarden Euro vor, von denen 643 Millionen Euro durch Horizon 2020 und die restlichen 547 Millionen Euro von den Projektpartnern bereitgestellt werden sollen. Zusicherungen von den beteiligten wissenschaftlichen Einrichtungen, Industriepartnern und nationalen Institutionen in Höhe von etwa 300 Millionen Euro liegen bereits vor. Neben 27 kleinen und mittleren Unternehmen aus zwölf europäischen Ländern und den USA haben auch Großkonzerne aus den medizinisch-pharmazeutischen und biotechnologischen Bereichen sowie der Informations- und Kommunikationstechnologie ihre Unterstützung zugesagt.

Vernetzte Neuronen im Blue Brain Project. © EPFL

Während der zweieinhalbjährigen Startphase, deren Kosten Meier mit 54 Millionen Euro veranschlagt, kann noch auf die bereits bestehenden Strukturen der Projektpartner zurückgegriffen werden. Später werden zur Erreichung der Ziele teure Infrastrukturmaßnahmen notwendig. So soll am Forschungszentrum Jülich für 130 Millionen Euro eine neue Supercomputing Infrastruktur für das HBP aufgebaut werden, die im Rahmen der „Partnership for Advanced Computing in Europe“ installiert wird. Das Land Baden-Württemberg wird an der Universität Heidelberg ein neues Forschungsgebäude für die Plattform „Neuromorphes Computing“ errichten; die Planungen dafür sind bereits abgeschlossen. Die Schweizer Regierung steuert für die von Henry Markram geleitete „Brain Simulation-Plattform“ 160 Millionen Euro bei, und in Lausanne wird unter dem Namen „Neuropolis“ eine neue, um das HBP zentrierte Infrastruktur für die in silico Lebenswissenschaften aufgebaut. So soll das HBP zur Schaffung eines CERN für das Gehirn führen.

Zunächst aber geht es darum, die Mitglieder des Forschungsverbundes und ihre Teilprojekte miteinander zu vernetzen und die gemeinsame Arbeit aufzunehmen. Die für die Startphase vorgesehenen Schritte sind im Antrag detailliert festgelegt worden. In der nächsten Evaluation nach 18 Monaten entscheidet die EU über die weitere Förderung im Zeitraum bis 2023, in dem pro Jahr bis zu hundert Millionen Euro zur Verfügung gestellt werden.

Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg. © Universität Heidelberg

Wenn es um so viel Geld geht, kann es an warnenden Stimmen nicht fehlen. Kritik kommt nicht nur von Wissenschaftlern, die bei der Fördermittelvergabe zu kurz gekommen sind. Je größer die Konsortien sind, umso mehr Aufwand verschlingen Management und Bürokratie. Auch Professor Meier wird seine Arbeitszeit mehr in auswärtigen Meetings zubringen müssen als am Kirchhoff-Institut, vor dem in Riesenlettern das Motto der Universität Heidelberg installiert ist: „Dem lebendigen Geist.“

Manche Experten bezweifeln, ob die Konstruktion eines Netzwerks aus Millionen künstlicher Neuronen dazu führen wird, die Arbeitsweise des menschlichen Gehirns zu verstehen und das Problem zu lösen, wie Gedanken entstehen und sich in komplexen Verhaltensweisen ausdrücken. Unumstritten ist aber, dass man von dem HBP eine Menge lernen wird - über die Funktionsprinzipien neuronaler Informationsverarbeitung ebenso wie über die Entwicklung neuer Computer- und Robotiktechnologien. Ohne Risiko sind die großen Fortschritte in der Wissenschaft nicht zu haben, und, wie EU-Vizepräsidentin Neelie Kroes sagte: „Europas Wettbewerbsfähigkeit kann nur gesichert werden, wenn wir das Undenkbare denkbar machen.“

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