Cel na cel een brein maken

Neurowetenschappers willen een virtuele 3D-replica van de hersenen maken.

Een model van een blokje rattenbrein werkt al.

Deel van het Blue Brain 3D-model van de ‘neocortical column’ van een rat. Beeld Blue Brain Project / EPFL Neurowetenschappers willen een virtuele 3D-replica van de hersenen maken. Een model van een blokje rattenbrein werkt al. Deel van het Blue Brain 3D-model van de ‘neocortical column’ in het brein van een twee weken oud ratje, tijdens activatie van de neuronen. Beeld Blue Brain Project / EPFL Blue Brain Project / EPFL

Binnen tien jaar lukt ons het om een werkend computermodel van de menselijke hersenen te maken. Die ambitieuze voorspelling deed neurowetenschapper Henry Markram van de École Polytechnique in Lausanne vorige week op de Ted Global 2009 conferentie in Oxford.

Markram is directeur van het Blue Brain Project dat in 2005 van start ging met Zwitsers overheidsgeld. Markram is niet van plan om ingewikkelde software te maken die hersenfuncties uitvoert – de ambitie van kunstmatige intelligentie. Nee, hij wil een compleet brein reverse-engineeren: op basis van detailkennis over de werking van de hersenen een 3D-replica bouwen van alle miljarden neuronen in het brein, inclusief verbindingen en elektrische signalen.

Makram heeft hoge verwachtingen van de replica. In een opiniestuk in Nature Reviews Neuroscience schreef Markram in 2006 dat zijn idee was „de hersenen van zoogdieren zo biologisch accuraat mogelijk te simuleren, om uiteindelijk de stappen die betrokken zijn bij het opkomen van biologische intelligentie te bestuderen”. Plus, meldt de site van het project, psychiatrische ziekten bestuderen, weten hoe leren en geheugen werkt en misschien ooit begrijpen wat bewustzijn is.

Blue Brain ligt al vanaf het begin zwaar onder vuur. Naar stroompjes in virtuele hersenen kijken levert geen kennis op over complexere hersenfuncties, menen critici. Bovendien is het project te groot, het brein te complex. Maar in 2007 maakten Markram en zijn team wel een eerste stap: ze bouwden een zogeheten ‘neocortical column’ (ncc) van een twee weken oud ratje na.

De gedachte is dat de ncc een basismodule van de neocortex is, de gekronkelde hersenschors die verantwoordelijk is voor hogere cognitieve functies. Een ncc is een pakketje neuronen van circa 2 mm hoog en 0,5 mm breed, niet groter dan een speldenknop. Bij een rat bestaat die uit circa 10.000 neuronen, met miljoenen synaptische verbindingen, bij een mens uit circa 60.000. De neocortex bestaat vervolgens weer uit miljoenen vergelijkbare ncc’s.

Op basis van kennis over celtypen lieten de onderzoekers een computerprogramma zo’n 400 verschillende soorten neuronen tekenen, met uitlopers en synapsen op diverse plaatsen. Om te weten hoe die neuronen met elkaar in verbinding staan, onderzocht het team in het lab duizenden plakjes rattenhersenen. Daarin maten ze waar de nog levende cellen elkaar elektrische signalen doorgaven.

Daarna lieten ze het aan software over om ionkanalen, die zorgen voor de zenuwimpulsen, te verdelen over de virtuele cellen. De distributie van de kanalen moest kloppen met de metingen uit de hersenplakjes.

En toen kwam de grote stap: alle tienduizend digitale 3D-neuronen zo in elkaar draaien dat de miljoenen verbindingen kloppen. Dat houdt in: als het digitale stukje brein wordt gestimuleerd, moet die op dezelfde manier actief worden als het stukje in een levende rat. De loeizware berekeningen daarvoor werden gedaan door IBM’s supercomputer Blue Gene.

Maar klopt het model? Onderzoeker Sean Hill is verantwoordelijk voor de validatie. Aan de telefoon zegt hij: „Het is niet mogelijk om de hele virtuele column in één keer te vergelijken. Maar we kunnen wel systematisch op verschillende niveaus testen of het model zich hetzelfde gedraagt als plakjes rattenbrein. Wat doen de individuele ionkanalen, hoe gedragen de synapsen zich, hoe vuren groepjes cellen? ” Na lang sleutelen aan de sterkte van de synapsen zou de digitale ncc nu reageren als een echte. Hill: „Uit duizenden experimenten kunnen we afleiden dat het model het goed doet.”

De volgende stap, zei Markram op Ted 2009, is een heel brein. Dat wordt nog lastig, zegt Martijn Meeter, hoofddocent cognitieve psychologie aan de Vrije Universiteit. Hij werkt aan een computermodel van de hippocampus, het deel van de hersenen waar herinneringen worden opgeslagen. Blue Brain kan heel nuttig zijn om bestaande theorieën te testen over bijvoorbeeld hoe leren werkt op celniveau, zegt hij. Ook kun je er experimenten in doen die in een mensenbrein niet kunnen, zoals één type neuron uitschakelen.

Maar simuleren hoe grotere hersendelen samenwerken, wordt moeilijker. „De onderzoekers vullen het model in met de waarnemingen die ze doen in het lab. Maar er zijn nauwelijks data over hoe verschillende hersendelen samenwerken op celniveau. Daar zijn nog tientallen jaren experimenten voor nodig.”

Filosoof en onderzoeker kunstmatige intelligentie Pim Haselager van de Radboud Universiteit noemt Blue Brain „een nogal chaotisch project”. De visuele cortex is voor een deel wel netjes in kolommen verdeeld, zegt hij, maar gebieden voor hogere cognitieve functies zijn dat veel minder. „We hebben nog maar een vaag idee wat de basisprincipes zijn in die gebieden.” Bovendien wint in de neurobiologie het idee terrein dat dezelfde hersendelen bij kunnen dragen aan verschillende cognitieve functies, zegt hij. „Je kunt niet begrijpen wat er gebeurt in dat ene stukje als je niet ook kijkt naar wat grotere delen van hele brein doen. Dat zie je niet in Blue Brain.”

Lees meer over het project via bluebrain.epfl.ch