Drei große Herausforderungen für die Hirnforschung, die in 10 Jahren gelöst werden können

Eine der großen wissenschaftlichen Herausforderungen besteht darin, das menschliche Gehirn zu verstehen. Forschungsteams auf der ganzen Welt sammeln Daten in halsbrecherischer Geschwindigkeit zu allem, vom Konnektom des Gehirns und seiner Berechnung bis hin zur Natur von Hirnerkrankungen und wie sie besser diagnostiziert und behandelt werden können.

Und doch ist es immer noch ein Problem, diese Arbeit so zusammenzubringen, dass erreichbare Ziele entstehen. Später in diesem Monat wird sich die internationale Hirnforschungsgemeinschaft in New York zusammensetzen, um auszuarbeiten, wie sie ihre Arbeit an wichtigen gemeinsamen Zielen koordinieren kann.

Aber was genau diese Ziele sein sollen, weiß niemand. Eine wichtige offene Frage lautet also: Auf welche großen Herausforderungen sollten sich Hirnforscher konzentrieren?

Heute erhalten wir dank einer Brainstorming-Sitzung, die Anfang dieses Jahres von vielen der einflussreichsten Neurowissenschaftler der Welt durchgeführt wurde, eine Antwort. Sie haben jetzt ihre Schlussfolgerungen veröffentlicht und sagen, dass sie drei große Herausforderungen identifiziert haben, die in den nächsten 10 Jahren erreichbar sind und daher im Mittelpunkt der globalen neurowissenschaftlichen Gemeinschaft stehen sollten.

Die erste große Herausforderung versucht zu verstehen, was Gehirne einzigartig macht. Neurowissenschaftler wissen seit langem, dass die Gehirnstruktur sowohl innerhalb als auch zwischen Arten sehr unterschiedlich ist. Die Variationen zeigen sich in der Anatomie des Gehirns – seiner Biochemie und Konnektivität sowie in der Art und Weise, wie sie sich entwickeln und der an diesem Prozess beteiligten Genexpression.

Das Verständnis der Designprinzipien, die die Variabilität bestimmen, könnte der Schlüssel zum Verständnis der Intelligenz und der subjektiven Erfahrung sowie des Einflusses der Variabilität auf Gesundheit und Funktion sein, sagt das Brainstorming-Team.

Die große Herausforderung, die sie vorschlagen, besteht also darin, diese Variationen über ein breites Spektrum von Arten abzubilden, eine Übung, die sie anatomische Neurokartographie nennen. Wir gehen davon aus, dass wir diese Herausforderung innerhalb eines Jahrzehnts in Gehirnen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Drosophila, Zebrafisch, Maus und Seidenäffchen, angegangen und Werkzeuge entwickelt haben, um umfangreiche neurokartografische Analysen durchzuführen, sagen sie. Das Ergebnis wird ein hochmoderner „virtueller NeuroZoo“ mit vollständig annotierten Daten und Analysewerkzeugen für Analyse und Entdeckung sein.

Die zweite große Herausforderung besteht darin, herauszufinden, wie das Gehirn die komplexen Rechenprobleme des Lebens löst, wie z. B. das Überqueren schwierigen Geländes, das Übersetzen von Sprachen und das Erkennen emotionaler Zustände. Das ist ein langjähriges Rätsel. Während die leistungsstärksten Computer der Welt trotz unglaublicher Rechenleistung und Megawatt Leistung mit diesen Aufgaben zu kämpfen haben, erledigt das Gehirn all dies mit kaum mehr als einer Schüssel Haferbrei jeden Tag.

Wie schafft das Gehirn das? Um dies herauszufinden, schlagen die Brainstormer vor, zu untersuchen, wie verschiedene Gehirnkomponenten zusammenarbeiten, um komplexes Verhalten zu orchestrieren. Dies erfordert eine neue Generation von Experimenten, um dies in natürlichen Umgebungen durchzuführen. Und es wird koordinierte Anstrengungen erfordern, um diese Gehirnmechanismen in verschiedenen Maßstäben zu untersuchen, sodass verschiedene Teams eng zusammenarbeiten müssen, um ihre Arbeit zu koordinieren. Diese Experimente werden mehrskalige Modelle neuronaler Systeme mit dem Potenzial erzeugen, Rechenaufgaben zu erledigen, die kein aktuelles Computersystem ausführen kann, sagt das Team.

Die letzte Herausforderung besteht darin, all diese Informationen zu nutzen, um Gehirnerkrankungen zu diagnostizieren und zu verhindern und die Funktion wiederherzustellen, wenn das Gehirn beschädigt wird. Ein Großteil dieser Arbeit wird sich darauf konzentrieren, besser zu verstehen, wie neuronale Funktionen schief gehen können. Dieses verbesserte Wissen muss jedoch auch in Tools umgesetzt werden, die die klinische Entscheidungsfindung verbessern.

Es gibt noch ein weiteres Ziel, das sich das Team für die weltweite neurowissenschaftliche Gemeinschaft gesetzt hat. Damit soll die technologische Infrastruktur für weltweit funktionierende Kooperationen geschaffen werden. Diese Infrastruktur wird als International Brain Station bekannt sein, in Anlehnung an die Internationale Raumstation, die die Gruppe bewundert. Die International Brain Station ist im Wesentlichen ein Cloud-Computing-Projekt, das es Forschern ermöglicht, Daten für alle zugänglich zu sammeln, zu speichern und zu analysieren.

All dies klingt sehr ambitioniert, aber es fehlen eine Reihe von Details. Eine davon ist die Rolle des Europe’s Human Brain Project, das derzeit mit einer Milliarde Euro gefördert wird. Ist die International Brain Station ein Konkurrent zu diesem Projekt, eine Erweiterung oder eine Art logische Folge?

Und was ist mit den Kosten der International Brain Station? Die Brainstormer erwähnen nicht, wie viel ihr Unterfangen wahrscheinlich kosten wird oder wer dafür bezahlen könnte (obwohl ihr Treffen von der National Science Foundation und der Kavli Foundation unterstützt wurde).

In dieser Hinsicht ist die Internationale Raumstation vielleicht nicht das beste Beispiel, das man anstreben sollte. Die Raumstation kostete über 150 Milliarden US-Dollar und ist mit Abstand die teuerste Maschine der Welt.

Vielleicht wurden diese Themen bewusst für das Treffen der Coordinating Global Brain Projects, das am 19. September in New York stattfinden wird, zurückgelassen.

Eine Sache, die für diesen Bericht spricht, ist der Stammbaum der Wissenschaftler, die dazu beigetragen haben. Dazu gehören Story Landis, ehemaliger Direktor des National Institute of Neurological Disorders and Stroke an den National Institutes of Health; Winfried Denk, Direktor des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie; Hollis Cline, Professor für Neurowissenschaften am Scripps Research Institute; und George Church, ein Genetiker an der Harvard University.

Es wird faszinierend sein, herauszufinden, ob der Rest der globalen Hirnforschungsgemeinschaft dem zustimmt.

Ref: arxiv.org/abs/1608.06548 : Große Herausforderungen für globale Hirnwissenschaften

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