Boeken

Monday, May 23, 2011

Het brein van één miljard


                            Simulated neural network on cellular level ©Blue Brain Project/EPFL

Biologist and author Professor Brian Ford has localised the sound of neurons communicating with one another. Listen here to the sound of neuron cells 'talking' to each other, processed to give a frequency around the same frequency as a human voice:


Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad van zaterdag 21 mei 2011

Hoe groter de worst die wetenschappers wordt voorgehouden, hoe groter hun beloften. Het nabootsen van het menselijke brein op een supercomputer, met als doel het begrijpen van zowel het gezonde als het zieke brein. Voor minder doet Henry Markram, de leider van het Europese Human Brain Project, het niet. En wel binnen tien jaar tijd. Mits hij minstens een miljard euro krijgt.

Het is deze grote financiële worst die de Europese Commissie wetenschappers voorhoudt. De Commissie heeft afgelopen maart zes onderzoeksprojecten geselecteerd, waaronder het Human Brain Project. Zij ziet ze als vlaggenschipprojecten die met de modernste informatie- en communicatietechnologieën maatschappelijke problemen te lijf gaan en als motoren van Europese innovatie. Alle zes hebben ze anderhalf miljoen euro gekregen om in een jaar tijd hun haalbaarheid aan te tonen. Eind 2012 worden twee van de zes projecten uitgekozen. Elk ontvangt dan tien jaar lang jaarlijks honderd miljoen euro.

Afgelopen dinsdag sprak projectleider Markram op het internationale seminar ‘Brains mean Business’ in Leiden, georganiseerd door het TWA Netwerk (Technisch Wetenschappelijk Attachés van het ministerie van EZ) en het Nationaal Initiatief Hersenen en Cognitie (NIHC). “Die miljard is het minimum dat we nodig hebben”, vertelt Markram in een interview na afloop van zijn lezing. “Daar bovenop komt nog financiering van de industrie, stichtingen en filantropen. Wij gaan niet een plan schrijven dat precies een miljard kost. We schrijven een plan en zeggen: voor dit bedrag kunnen we het brein tot op cellulair niveau simuleren. Als het Human Brain Project wordt geselecteerd en we gaan in 2013 van start, dan hebben we in 2023 een faciliteit gereed die dat kan.” 


The brain simulations run on a IBM Blue Gene/P-supercomputer ©Blue Brain Project/EPFL



In 2023 het gehele menselijke brein? Hebben we nu dan misschien al een gevalideerde computersimulatie van een kleiner functioneel deel, de visuele hersenschors of zo? Nee, verre van. In het Blue Brain-project dat Markram sinds 2005 leidt aan de Zwitserse Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) werd een klein kolommetje van tienduizend hersencellen uit een rattenbrein tot op cellulair niveau gesimuleerd op een supercomputer. Gedetailleerder dan waar ook elders ter wereld mogelijk is. Het ging om een kolommetje uit de neocortex, volgens Markram “het hart van de zoogdierintelligentie”.

Dat was in 2008. Markram: “Nu kunnen we 36 van zulke kolommetjes simuleren. Die praten allemaal met elkaar. Dan gaat het om een miljard zenuwuiteinden.” Probleem is dat zo’n geïsoleerd breinflintertje niet zo veel doet en dat experimentele validatie onmogelijk is zonder eerst een grotere functionele structuur te simuleren. Een wetenschappelijke publicatie ontbreekt. “Maar,” zegt Markram, “de statistische simulatie-eigenschappen kloppen met wat we kunnen meten.” Het Blue Brain-project staat aan de basis van het veel omvattender Human Brain Project.

Volgens de van oorsprong Zuid-Afrikaanse hersenonderzoeker is het belangrijkste dat de simulaties hebben opgeleverd een eerste inzicht in de vraag waarom het brein zo robuust is. “Alzheimer- of Parkinson-patiënten merken pas iets wanneer een groot percentage hersencellen al is aangedaan. Waarom pas zo laat? De sleutel van deze robuustheid ligt volgens onze simulaties in de enorme diversiteit aan vormen en functies van hersencellen en hun uiteinden.”

De wetenschappelijke publicaties die Markram met zijn collega’s hierover heeft geschreven, liggen nog bij de beoordelaars. Hij benadrukt dat de faciliteit die het Human Brain Project wil realiseren bedoeld is om breinhypotheses te toetsen. “Het wordt geen waarheidsmachine die definitief laat zien hoe het menselijk brein werkt. Het wordt een onderzoeksinstrument waarmee we breinsimulaties steeds kunnen verbeteren. De faciliteit komt open te staan voor Europese onderzoekers die hun eigen breinmodellen op een supercomputer willen runnen.”

Het is Markram al vaak voor de voeten geworpen: Of hij wel beseft hoe complex het brein is? Een immens verknoopt netwerk van honderd miljard hersencellen in tientallen soorten en maten; nog eens negen maal zoveel ondersteunende gliacellen; duizenden typen van zenuwuiteinden en een groot aantal onbegrepen mechanismen op moleculair, cellulair en netwerkniveau. Allemaal het resultaat van honderden miljoenen jaren evolutie. 

                                           Single simulated neuron ©Blue Brain Project/EPFL

“Een natuur- of wiskundige die dit hoort, denkt dat het aantal mogelijke interacties zo astronomisch is dat simulatie onmogelijk is”, beaamt Markram. “Maar de crux is dat de biologie honderden regeltjes oplegt die het aantal mogelijke interacties zodanig beperkt dat simulatie wel degelijk mogelijk is. Regeltjes die vertellen hoeveel energie een cel gebruikt, welke vorm een hersencel krijgt, welke zenuwuiteinden waar ontstaan, welke netwerken worden gevormd etcetera. Het gaat er om die regels te ontdekken. Volg de biologie en simuleren wordt gemakkelijk.”

Momenteel doen dertien universiteiten uit negen Europese landen mee aan het Human Brain Project. De Nederlandse neuroinformaticus Paul Tiesinga, hoogleraar aan de Radboud Universiteit Nijmegen, coördineert de Nederlandse bijdrage van dertien onderzoekers. Belooft het project niet veel meer dan het kan waarmaken? “Nu nemen onderzoeksgroepen allemaal kleine stapjes”, zegt Tiesinga. “Het gaat erom dat we die stapjes bij elkaar optellen. Pas met integratie komen we echt verder. Om mensen enthousiast te krijgen, moeten we groot denken. En ja, wat is succes? Wat een breinsimulatie straks wel en niet kan, valt nu moeilijk te zeggen. Maar ik denk dat het bouwen van de faciliteit die Markram voor ogen staat reëel is. Ongetwijfeld weten we nog heel veel niet. Pas als we daadwerkelijk proberen het brein te simuleren, zullen we achter belangrijke inzichten komen waarvan we nu nog niet eens weten dat we ze niet weten. Dat is vooruitgang.”

In 2005 vertelde een van de wereldleiders op het gebied van de computationele neurobiologie, de Amerikaanse hoogleraar Terry Sejnowski, aan vakblad Nature dat Markrams simulatieproject, toen nog het Blue Brain-project, “gedoemd is om te mislukken”. De laatste jaren zijn echter ook in de VS en China grootschalige breinsimulatieplannen gemaakt en deels gestart. Het Amerikaanse initiatief ‘The Next Frontier - One mind for brain research’ zal zich meer richten op individuele hersenaandoeningen en wordt op 23 mei officieel gelanceerd.

Sejnowski was in 2010 al een stuk optimistischer. In Scientific American schreef hij dat de vooruitgang in zowel de neurowetenschappen als de informatica “het simuleren van het brein steeds waarschijnlijker maakt”. Toch wijst hij op de vele mitsen en maren: “Wat betekent het om een brein te simuleren?...Het probleem met zeer vereenvoudigde modellen is dat ze het kind met het badwater dreigen weg te gooien. Het probleem met zeer gedetailleerde modellen is dat het aantal details schier oneindig is en dat veel daarvan onbekend is.”

Over Markrams voorspelling dat hij het menselijk brein in tien jaar kan simuleren schreef Sejnowski: “Deze simulaties zullen op hun best lijken op een babybrein of misschien een psychotisch brein. Het menselijk brein is meer dan de som van de delen.” Dat een brein essentieel verbonden is met een lichaam dat kan waarnemen en handelen is trouwens van later zorg. Markram wil dat in de toekomst oplossen met avatars of robots die met een gesimuleerd brein worden verbonden. 

                                Brain and neurons ©Blue Brain Project/EPFL

Voor enkele filmpjes van simulaties verwijs ik naar mijn vorige blogbijdrage