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Wie die Physik in den Kopf kommt

Professor Karlheinz Meier zum Human Brain Project

Die BrainScaleS-Gruppe im Kirchhoff-Institut für Physik vor ihrem ersten neuromorphischen Rechenmodul. / Foto: Kirchhoff-Institut für Physik, BrainScaleS

Das menschliche Gehirn ist ein unvorstellbar komplexes Konstrukt. Seine Funktionsweise zu verstehen ist Ziel des Human Brain Project. Der Heidelberger Physiker Karlheinz Meier sprach mit uns über Ziele und Herausforderungen des Projekts. Das Gespräch führte Paul Eckartz.

ruprecht: Mithilfe Ihrer Future-And-Emerging-Technologies-Initiative will die EU einige Flaggschiff-Forschungsprojekte in der Informationstechnologie fördern. Eines davon ist das „Human Brain Project“ (HBP) bei dem Sie seit 2011 Kodirektor sind. Ziel ist eine detailgetreue Simulation des menschlichen Gehirns. Was passiert da?

Karlheinz Meier: Dieses Projekt besitzt einen starken interdisziplinären Charakter. Es verbindet Gruppen aus Naturwissenschaften und Medizin. Dabei sind Neurobiologen, Computerwissenschaftler und von Heidelberger Seite auch Physiker. Es gibt drei große Projektstränge, die hier zusammengeführt werden: Das Blue-Brain-Projekt, das sich im Wesentlichen durch großskalige Simulationen auf Supercomputern auszeichnet. Unsere eigene Entwicklungslinie, das EU-Projekt „FACETS“ und „BrainScaleS“, die schon kleinere HBP-Modelle sind. Wir haben zum Beispiel in dem FACETS-Projekt bereits sehr erfolgreich neurobiologische Daten verwendet. Der dritte große Strang ist eine sehr starke Computergruppe aus England, geleitet von Steve Furber. Das heißt, wir haben hochkarätige Gruppen, die in der Vergangenheit auch gezeigt haben, dass sie in der Lage sind, solche interdisziplinären Projekte zu bewältigen. Und das gibt mir gute Hoffnungen, dass wir das schaffen.

Welche Ziele verfolgt das Projekt und welche Erkenntnisse und Anwendungen versprechen Sie sich davon?

Erkenntnis und Anwendungen sind zwei verschiedene Dinge. Der Erkenntnisgewinn steht über allem. Das Projekt möchte drei große Fragestellungen angehen: Zum einen die übergreifende Fragestellung, wie Informationen im Gehirn gespeichert und verarbeitet werden.

Wenn Sie einen Stein fallen lassen, können Sie ziemlich genau vorhersagen, wann er auf dem Boden auftrifft. Das heißt, Sie tragen ein Modell der physikalischen Welt in Ihrem Kopf. Das ist mit rein biologischen Methoden nur sehr schwer zugänglich. Sie können nicht jedes Neuron einzeln anschauen. In einem synthetischen System hat man den großen Vorteil, dieses System jederzeit detailliert anschauen zu können und auf diese Weise systematisch zu untersuchen, wie diese interne Modellbildung in dem System geschieht. Also wie, plakativ gesagt, die Physik in unseren Kopf kommt. Anwendungen sind natürlich vielfältig, beispielsweise in der Informationstechnologie.

Wir haben heute schon synthetische Systeme in Heidelberg stehen, die in gewissen Aspekten besser als konventionelle Computer sind. Wenn man das weiterentwickelt, wird man Systeme bauen können, die extrem energieeffizient sind.

Mit denen werden Sie, genauso wenig wie mit Ihrem Gehirn, große Zahlen multiplizieren können. Aber Sie werden beispielsweise Vorhersagen machen oder kausale Zusammenhänge finden. Das ist eine ganz neue Art, Informationen zu verarbeiten. Ein weiterer Aspekt ist der medizinische, das heißt: Wie kommt es zu Fehlfunktionen des Gehirns und wie können wir diese mit Simulationsmethoden besser verstehen? Ein Verständnis dieser Fehlfunktionen wird dazu führen, dass man Pharmazeutika entwickeln wird, die helfen, diese Fehlfunktionen zu verhindern oder zu verringern.

Welche Herausforderungen ergeben sich dabei?

Zum einen gibt es organisatorische und zum anderen – das ist das Schöne daran – wissenschaftliche Herausforderungen. Das Projekt ist groß. Es kombiniert etwa 70 Arbeitsgruppen aus Europa, die man unter einen Hut bringen muss. Ich habe 30 Jahre in sehr großen Teilchenphysikexperimenten wie dem Atlas-Experiment am CERN verbracht. Und ich hoffe, dass ich viele Erfahrungen in das Human Brain Project einbringen kann, das im Bereich der Neuro- und Informationswissenschaften diese Arbeitsweise zum ersten Mal umzusetzen versucht.

Die schönere Herausforderung ist die der Wissenschaft. Wenn man versucht, physikalische Modelle zu bauen, müssen diese auf etwas beruhen. Man muss Daten aus neurowissenschaftlichen Experimenten verwenden. Diese Daten müssen wir zum Teil selbst gewinnen, aber es geht vielmehr darum, Daten, die von anderen bereits gewonnen wurden, zu integrieren. Das heißt, man muss Standards entwickeln, um Daten in Formate zu bringen, sodass sie zur Simulation geeignet sind.

Eine Herausforderung, die uns selbst betrifft: Wir bauen physikalische Modelle von neuronalen Schaltkreisen. Wir bauen keine Computer. Unsere Idee ist, einen Schaltkreis aus dem Gehirn anzuschauen und eine Kopie auf einem Siliziumsubstrat zu machen. Im Gehirn gibt es sehr viele Zellen, etwa 100 Milliarden Neuronen. Das heißt, enorme Verbindungsdichten auf Silizium herzustellen ist eine der großen Herausforderungen. Aber wir fangen nicht bei null an. Alle Aspekte des Projekts basieren auf Arbeiten, die von allen beteiligten Gruppen in den letzten zehn Jahren bereits gemacht wurden.

Das Projekt beschäftigt auch eine eigene Ethikgruppe. Worum geht es hierbei?

Das Projekt hat zehn wissenschaftliche Divisionen, eine davon ist die Ethikdivision. Sie ist sehr bedeutend und wird von einem sehr renommierten Wissenschaftler geleitet, Jean-Pierre Changeux vom Collège de France in Paris.

Die Ethikdivision hat drei große Aufgaben: Zum einen müssen Tierversuche, die beteiligte Gruppen durchführen, nationalen und europäischen Regeln entsprechen. Um das sicherzustellen, braucht man eine Gruppe, die sich darum kümmert.

Dann gibt es noch die Kommunikation mit der Außenwelt. Es wird regelmäßig öffentliche Hearings geben. Zuletzt gibt es noch eine interne Sicht der Dinge. Die Ethikdivision wird regelmäßig mit uns sprechen, um herauszufinden, ob sich unter Umständen Wissen ergibt, das ethische Konsequenzen mit sich bringt. Die Frage, ob es unter Umständen Systeme geben wird, die in irgendeiner Weise intelligent sein werden, ist etwas, was man heutzutage absolut nicht sagen kann. Ich bin überzeugt, dass es irgendwann passieren wird – mit Sicherheit nicht im Rahmen der nächsten zehn Jahre – aber unter Umständen stellen wir Weichen in diese Richtung. Und ich glaube, es ist wichtig, dass man merkt, wenn man Weichen stellt.