211service.com
Een werkend hersenmodel
Een ambitieus project om een nauwkeurig computermodel van de hersenen te maken heeft een indrukwekkende mijlpaal bereikt. Wetenschappers in Zwitserland die samenwerken met IBM-onderzoekers hebben aangetoond dat hun computersimulatie van de neocorticale kolom, misschien wel het meest complexe deel van de hersenen van een zoogdier, zich lijkt te gedragen als zijn biologische tegenhanger. Door aan te tonen dat hun simulatie realistisch is, zeggen de onderzoekers, suggereren deze resultaten dat een volledig zoogdierbrein binnen drie jaar volledig kan worden gemodelleerd, en een menselijk brein binnen het volgende decennium.
Hersen kracht: Deze weergave toont de connectiviteit van de 10.000 neuronen en 30 miljoen verbindingen die samen een enkele neocorticale kolom vormen. (De verschillende kleuren komen overeen met verschillende niveaus van elektrische activiteit.) Nadat wetenschappers een biologisch nauwkeurig computermodel van een neocorticale kolom hebben gemaakt, zijn wetenschappers nu van plan om binnen slechts 10 jaar het hele menselijke brein te modelleren.
Wat we doen is de hersenen reverse-engineeren, zegt Henry Markram , mededirecteur van het Brain Mind Institute aan de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, in Zwitserland, die het werk leidde, genaamd de Blauwe Hersenen project, dat begon in 2005. (Zie IBM: The Computer Brain.) Door het gedrag van de hersenen tot op het individuele neuron na te bootsen, willen de onderzoekers een modelleringstool creëren die door neurowetenschappers kan worden gebruikt om experimenten uit te voeren, hypothesen te testen, en de effecten van medicijnen efficiënter analyseren dan met echt hersenweefsel.
Het model van een deel van de hersenen is vorig jaar voltooid, zegt Markram. Maar nu, na uitgebreide tests waarbij zijn gedrag is vergeleken met resultaten van biologische experimenten, is hij ervan overtuigd dat de simulatie nauwkeurig genoeg is zodat de onderzoekers verder kunnen met de rest van de hersenen.
Het is geweldig werk, zegt Thomas Serre , een computationeel-neurowetenschappelijk onderzoeker aan het MIT. Dit heeft waarschijnlijk een enorme impact op de neurowetenschap.
Het project begon met het oorspronkelijke doel om de 10.000 neuronen en 30 miljoen synaptische verbindingen te modelleren die de neocorticale kolom van een rat vormen, de belangrijkste bouwsteen van de cortex van een zoogdier. De neocorticale kolom werd als uitgangspunt gekozen omdat deze algemeen wordt erkend als bijzonder complex, met een heterogene structuur die bestaat uit veel verschillende soorten synaps- en ionkanalen. Het heeft geen zin om te dromen over het modelleren van de hersenen als je er niet een klein deel van kunt modelleren, zegt Markram.
Het model zelf is gebaseerd op 15 jaar aan experimentele gegevens over neuronale morfologie, genexpressie, ionenkanalen, synaptische connectiviteit en elektrofysiologische opnames van de neocorticale kolommen van ratten. Vervolgens werden softwaretools ontwikkeld om deze informatie te verwerken en automatisch fysiologisch nauwkeurige 3D-modellen van neuronen en hun onderlinge verbindingen te reconstrueren.
Verbind de punten: Een weergave van een neocorticale kolom van zoogdieren, de basisbouwsteen van de cortex. De voorstelling toont de complexiteit van dit deel van de hersenen, dat nu met een supercomputer is gemodelleerd.
Credit: BBP/EPFL
De neuronale circuits werden getest door specifieke inputstimuli te simuleren en te kijken hoe de circuits zich gedroegen in vergelijking met die in biologische experimenten. Waar hiaten in de kennis verschenen over hoe bepaalde delen van het model zich moesten gedragen, gingen de wetenschappers terug naar het laboratorium en voerden experimenten uit om het soort gedrag te identificeren dat moest worden gereproduceerd. In feite was ongeveer een derde van het team van 35 onderzoekers gewijd aan het uitvoeren van dergelijke experimenten, zegt Markram.
Door een iteratief testproces is de simulatie geleidelijk verfijnd tot het punt waarop Markram er zeker van is dat hij zich gedraagt als een echte neocorticale kolom.
Geen van deze resultaten is echter tot nu toe gepubliceerd in de peer-reviewed literatuur, zegt Christof Kocho , een professor in biologie en techniek aan Caltech. En dit is zeker niet het eerste computermodel van de hersenen, benadrukt hij. Dit is eerder een evolutionair dan een revolutionair proces, zegt hij. Al in 1989 creëerde Koch een simulatie van 10.000 neuronen, zij het in een veel eenvoudiger model.
Bovendien is Koch sceptisch over hoe snel het hersenmodel kan vorderen. Alle beweringen dat het menselijk brein binnen 10 jaar gemodelleerd kan worden, zijn zo belachelijk dat ze niet de moeite waard zijn om te bespreken, zegt hij.
Rattenhersenen hebben ongeveer 200 miljoen neuronen, terwijl menselijke hersenen ongeveer 50 tot 100 miljard neuronen hebben. Dat is een flinke opschaling, geeft Markram toe.
Maar hij is ervan overtuigd dat zijn model robuust genoeg is om oneindig uit te breiden. Bovendien denkt hij dat het detailniveau van het model ook verder kan. Het is op een vrij hoge resolutie, zegt hij. Het is nog steeds op cellulair niveau, maar we willen op moleculair niveau kijken. Dit zou het mogelijk maken om op simulatie gebaseerde medicijntesten uit te voeren door te laten zien hoe specifieke moleculen eiwitten, receptoren en enzymen beïnvloeden.
Het zou me niet verbazen als ze het zouden kunnen, zegt Serre. Het is echter niet duidelijk wat ze eruit zouden kunnen halen, zegt hij. Als je wilt dat dit model bruikbaar is, moet je kunnen begrijpen hoe het gedrag zich verhoudt tot specifieke hersenfuncties. Het is tot nu toe niet duidelijk dat het Blue Brain-project dit heeft gedaan, zegt hij.