En fungerende hjernemodel

Et ambitiøst projekt om at skabe en nøjagtig computermodel af hjernen har nået en imponerende milepæl. Forskere i Schweiz, der arbejder med IBM-forskere, har vist, at deres computersimulering af den neokortikale søjle, velsagtens den mest komplekse del af et pattedyrs hjerne, ser ud til at opføre sig som dets biologiske modstykke. Ved at demonstrere, at deres simulering er realistisk, siger forskerne, tyder disse resultater på, at en hel pattedyrs hjerne kan modelleres fuldstændigt inden for tre år, og en menneskelig hjerne inden for det næste årti.

Hjernekraft: Denne repræsentation viser forbindelsen mellem de 10.000 neuroner og 30 millioner forbindelser, der udgør en enkelt neokortikal søjle. (De forskellige farver svarer til forskellige niveauer af elektrisk aktivitet.) Efter at have skabt en biologisk nøjagtig computermodel af en neokortikal søjle planlægger videnskabsmænd nu at modellere hele den menneskelige hjerne inden for blot 10 år.

Det, vi gør, er at omvendt manipulere hjernen, siger Henry Markram , meddirektør for Brain Mind Institute ved Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, i Schweiz, som ledede arbejdet, kaldet Blå hjerne projekt, som startede i 2005. (Se IBM: The Computer Brain.) Ved at efterligne hjernens adfærd ned til den enkelte neuron, sigter forskerne på at skabe et modelleringsværktøj, som kan bruges af neurovidenskabsmænd til at køre eksperimenter, teste hypoteser, og analysere virkningerne af stoffer mere effektivt, end de kunne ved hjælp af ægte hjernevæv.

Modellen af ​​en del af hjernen blev færdiggjort sidste år, siger Markram. Men nu, efter omfattende test, der sammenligner dens adfærd med resultater fra biologiske eksperimenter, er han tilfreds med, at simuleringen er nøjagtig nok til, at forskerne kan fortsætte med resten af ​​hjernen.

Det er fantastisk arbejde, siger Thomas Serre , en computer-neurovidenskabsforsker ved MIT. Dette vil sandsynligvis have en enorm indvirkning på neurovidenskaben.

Projektet begyndte med det oprindelige mål at modellere de 10.000 neuroner og 30 millioner synaptiske forbindelser, der udgør en rottes neokortikale søjle, hovedbyggestenen i et pattedyrs cortex. Den neokortikale søjle blev valgt som udgangspunkt, fordi den er almindeligt anerkendt som værende særlig kompleks med en heterogen struktur bestående af mange forskellige typer synapse- og ionkanaler. Det nytter ikke at drømme om at modellere hjernen, hvis du ikke kan modellere en lille del af den, siger Markram.

Selve modellen er baseret på 15 års eksperimentelle data om neuronal morfologi, genekspression, ionkanaler, synaptisk forbindelse og elektrofysiologiske optagelser af de neokortikale søjler af rotter. Softwareværktøjer blev derefter udviklet til at behandle denne information og automatisk rekonstruere fysiologisk nøjagtige 3-D-modeller af neuroner og deres indbyrdes forbindelser.

Forbind prikkerne: En repræsentation af en pattedyrs neokortikal søjle, den grundlæggende byggesten i cortex. Repræsentationen viser kompleksiteten af ​​denne del af hjernen, som nu er blevet modelleret ved hjælp af en supercomputer.
Kredit: BNP/EPFL

De neuronale kredsløb blev testet ved at simulere specifikke inputstimuli og se, hvordan kredsløbene opførte sig sammenlignet med dem i biologiske eksperimenter. Hvor der opstod huller i viden om, hvordan visse dele af modellen skulle opføre sig, gik forskerne tilbage til laboratoriet og udførte eksperimenter for at identificere den slags adfærd, der skulle reproduceres. Faktisk var omkring en tredjedel af holdet på 35 forskere dedikeret til at udføre sådanne eksperimenter, siger Markram.

Gennem en iterativ testproces er simuleringen gradvist blevet forfinet til det punkt, hvor Markram er sikker på, at den opfører sig som en rigtig neokortikal søjle.

Men ingen af ​​disse resultater er indtil videre blevet offentliggjort i den peer-reviewede litteratur, siger Christof Koch , professor i biologi og teknik ved Caltech. Og det er på ingen måde den første computermodel af hjernen, påpeger han. Det her er en evolutionær proces snarere end en revolutionær, siger han. Så længe siden som i 1989 skabte Koch en 10.000-neuronsimulering, dog i en langt enklere model.

Koch er desuden skeptisk over for, hvor hurtigt hjernemodellen kan udvikle sig. Enhver påstand om, at den menneskelige hjerne kan modelleres inden for 10 år, er så latterlige, at de ikke er værd at diskutere, siger han.

Rottehjerner har omkring 200 millioner neuroner, mens menneskelige hjerner har i området 50 til 100 milliarder neuroner. Det er en stor opskalering, erkender Markram.

Men han er overbevist om, at hans model er robust nok til at blive udvidet på ubestemt tid. Desuden mener han, at detaljeringsgraden af ​​modellen også kan tages længere. Det er i ret høj opløsning, siger han. Det er stadig på cellulært niveau, men vi vil se på det molekylære niveau. Dette ville gøre det muligt at udføre simulationsbaseret lægemiddeltestning ved at vise, hvordan specifikke molekyler påvirker proteiner, receptorer og enzymer.

Jeg ville ikke blive overrasket, hvis de kunne gøre det, siger Serre. Det er dog ikke klart, hvad de kunne få ud af det, siger han. Hvis du ønsker, at denne model skal være nyttig, skal du være i stand til at forstå, hvordan adfærden relaterer sig til specifikke hjernefunktioner. Indtil videre står det ikke klart, at Blue Brain-projektet har gjort det, siger han.

skjule