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Computer suchen ihre Nachfolger - Human Brain Project geht neue Wege
(Nanowerk News) Führende europäische Wissenschaftler bereiten derzeit das Human Brain Project vor, welches die Erforschung der Funktionsprinzipen des Gehirns eng mit möglichen Anwendungen in der Informationswissenschaft verbinden soll. Für die Erfassung neurobiologischer Daten und deren Speicherung, die Simulation auf Hochleistungsrechnern, die Entwicklung von mathematischen Theorien und fundamental neuen Hardwarearchitekturen sollen europaweit leistungsfähige und vernetzte Forschungs- und Entwicklungszentren aufgebaut werden.
Im bereits laufenden BrainScaleS-Projekt, welches hierzu wissenschaftliche und technische Grundlagen liefert, werden auf einem Silizium-Wafer etwa 200 000 elektronische Neuronen mit 50 Millionen lernenden Synapsen vernetzt. Deren zeitliche Entwicklung kann mit diesem elektronischen Modell 10 000 Mal schneller nachgebildet werden als beim biologischen Vorbild.
3D-Rekonstruktion eines menschlichen Gehirns
3D-Rekonstruktion eines menschlichen Gehirns. Aufgeklappt erlaubt sie einen Einblick in das Innere. Der farbige Schnitt zeigt den Verlauf von Faserbahnen. Fasern sind die Grundlage von Netzwerken von Nervenzellen, die verschiedene Hirnfunktionen ermöglichen. Die unterschiedlichen Farben zeigen verschiedene Faserverläufe. Mit der in Jülich entwickelten dreidimensionalen Polarisationsbildgebung ist es möglich, bis auf einen tausendstel Millimeter hinein ins Gehirn zu sehen und solche Faserbahnen zu rekonstruieren.
Mit 100 Milliarden Nervenzellen und zehntausend Mal so vielen Verbindungen stellt das menschliche Gehirn die vielleicht grösste Herausforderung für den Wissensdurst des Menschen dar. Das Gehirn unterscheidet sich fundamental von anderen komplexen Systemen in der Natur: Es kann selbst Information registrieren, verarbeiten und reflektieren. Dabei sind seine Energieeffizienz sowie seine Lern- und Entwicklungsfähigkeit bis heute unerreichbare Traumziele für Computerwissenschaftler.
Die phantastische Vielfalt der Natur ist ein Ergebnis der komplexen Wechselwirkung ihrer mikroskopischen Bestandteile. Bereits seit Jahren liefern Simulationen auf Hochleistungsrechnern wie JUGENE am Forschungszentrum Jülich Wissenschaftlern tiefe Einblicke in faszinierende Prozesse der Strukturbildung. Von den Skalen des Universums bis hinunter zur Masse des Protons erhalten die Wissenschaftler heute fundamentale Einsichten mithilfe extrem leistungsfähiger Rechner.
Das geplante Human Brain Project (HBP) geht nun einen Weg, der sich in seinem europäisch integrierten Ansatz an Grossprojekten anderer Wissenschaftszweige orientiert. Das Forschungszentrum Jülich übernimmt im HBP gemeinsam mit deutschen Universitäten zentrale Aufgaben. Jülich kombiniert bereits heute experimentelle und computerbasierte Neurowissenschaften mit dem leistungsfähigsten Computer Europas an einem Standort. Die enge Kooperation mit Herstellern wie IBM bietet eine Basis für Synergien bei der Entwicklung zukünftiger Computerarchitekturen. Prinzipien des Gehirns sollen nun nicht nur durch Computer erforscht werden, sondern auf diese Weise direkt in neue Computerarchitekturen Eingang finden.
Grundlegende Arbeiten auf dem Gebiet sogenannter neuromorpher Systeme werden bereits seit Jahren an der Universität Heidelberg durchgeführt. Im Rahmen des derzeit laufenden europäischen BrainScaleS-Projektes werden auf Silizium-Wafern 200 000 elektronische Nervenzellen mit 50 Millionen elektronischen Synapsen vernetzt. Synapsen sind in der Natur für die Signalübertragung zwischen den Neuronen zuständig. Mit dem elektronischen Modell aus neuronalen Schaltkreisen lässt sich unter anderem untersuchen, wie sich lernende Synapsen entwickeln, und zwar 10 000 Mal schneller, als dies in der Natur geschieht. Das neuromorphe System ahmt die Eigenschaften biologischer Synapsen nach, die durch Änderung der Stärke ihrer Signalübertragung dem Gehirn das Lernen ermöglichen.
Silizium Wafer mit 200.000 elektronischen Neuronen beim Zusammenbau des neuromorphen Computers
Silizium Wafer mit 200.000 elektronischen Neuronen beim Zusammenbau des neuromorphen Computers an der Universität Heidelberg.
Deutschland ist mit seiner Spitzenforschung im Supercomputing, der neuromorphen Hardware und der Theorie an den Universitäten und Forschungszentren in einer hervorragenden Ausgangsposition. Entscheidende Grundlagen aus dem neurowissenschaftlichen Bereich wurden hier während der letzten Jahre gelegt. Wie bei anderen grossen wissenschaftlichen Herausforderungen in der Vergangenheit kann dieses Potenzial aber nur genutzt werden, wenn Wissenschaftler der verschiedenen Disziplinen eng zusammenarbeiten. Die Forscher erhoffen sich, mit der in dieser Grössenordnung erstmaligen Zusammenarbeit der verschiedenen Disziplinen und verschiedenen Wissenschaftsstandorte den internationalen Vorsprung weiter auszubauen und der Industrie völlig neuartige Computertechnologien zur Verfügung stellen zu können.
Das HBP wird von dem Neurowissenschaftler Henry Markram von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und dem Heidelberger Physiker Karlheinz Meier koordiniert. Beide Wissenschaftler haben in der Vergangenheit erfolgreich Verbundprojekte wie BlueBrain und FACETS initiiert und durchgeführt. Die Vorbereitungsarbeiten für das HBP erfolgen im Rahmen einer europäischen Flagship-Initiative des Future Emerging Technologies (FET) Programms. Erfolgreiche Flagship-Projekte mit einer europäischen Perspektive für Wissenschaft, Industrie und Gesellschaft sollen für einen Zeitraum von zehn Jahren gefördert werden.
Source: Forschungszentrum Jülich