Wie groß die Wissenschaft es versäumt hat, die Geheimnisse des menschlichen Gehirns zu entschlüsseln

Große, kostspielige Bemühungen zur Kartierung des Gehirns begannen vor einem Jahrzehnt, blieben aber weitgehend erfolglos. Es ist eine gute Erinnerung daran, wie komplex dieses Organ ist.

Durch

• Emily Mullin Archivseite

25. August 2021

Andrea Daquino

Im September 2011 versammelte sich eine Gruppe von Neurowissenschaftlern und Nanowissenschaftlern auf einem malerischen Anwesen in der englischen Landschaft zu einem Symposium, das ihre beiden Fachgebiete zusammenbringen sollte.

Bei dem Treffen machten der Neurobiologe Rafael Yuste von der Columbia University und der Harvard-Genetiker George Church einen nicht ganz so bescheidenen Vorschlag: die Aktivität des gesamten menschlichen Gehirns auf der Ebene einzelner Neuronen abzubilden und detailliert zu beschreiben, wie diese Zellen Schaltkreise bilden. Dieses Wissen könnte genutzt werden, um Hirnerkrankungen wie Alzheimer, Autismus, Schizophrenie, Depressionen und traumatische Hirnverletzungen zu behandeln. Und es würde helfen, eine der großen Fragen der Wissenschaft zu beantworten: Wie bringt das Gehirn Bewusstsein hervor?

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom September 2021

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Yuste, Church und ihre Kollegen entwarfen einen Vorschlag, der später sein sollte veröffentlicht in der Zeitschrift Neuron . Ihr Ehrgeiz war extrem: ein groß angelegtes, internationales öffentliches Projekt, das Brain Activity Map Project, das darauf abzielte, die vollständige Aufzeichnung der neuronalen Aktivität über komplette neuronale Schaltkreise hinweg zu rekonstruieren. Wie das Human Genome Project ein Jahrzehnt zuvor, schrieben sie, würde das Gehirnprojekt zu völlig neuen Industrien und kommerziellen Unternehmungen führen.

Um dieses Ziel zu erreichen, waren neue Technologien erforderlich, und hier kamen die Nanowissenschaftler ins Spiel. Damals konnten Forscher die Aktivität von nur wenigen hundert Neuronen auf einmal aufzeichnen – aber bei rund 86 Milliarden Neuronen im menschlichen Gehirn war das vergleichbar mit pixelweise fernsehen, Yuste erinnerte sich im Jahr 2017. Die Forscher schlugen Werkzeuge vor, um jeden Spike von jedem Neuron zu messen, um zu verstehen, wie das Feuern dieser Neuronen komplexe Gedanken erzeugt.

Der kühne Vorschlag faszinierte die Obama-Regierung und legte den Grundstein für die mehrjährige Laufzeit Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Initiative , angekündigt im April 2013. Präsident Obama nannte es das nächste große amerikanische Projekt.

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Aber es war nicht das erste kühne Gehirnabenteuer. Tatsächlich hatte ein paar Jahre zuvor Henry Markram, ein Neurowissenschaftler an der Eidgenössische Technische Hochschule in Lausanne in der Schweiz, hatte sich ein noch höheres Ziel gesetzt: eine Computersimulation eines lebenden menschlichen Gehirns zu erstellen. Markram wollte ein vollständig digitales, dreidimensionales Modell mit der Auflösung der einzelnen Zelle bauen und die vielen Verbindungen dieser Zellen nachzeichnen. Wir können es innerhalb von 10 Jahren schaffen, prahlte er während einer 2009 TED-Talk .

Im Januar 2013, wenige Monate bevor das amerikanische Projekt angekündigt wurde, gewährte die EU Markram 1,3 Milliarden Dollar für den Bau seines Gehirnmodells. Die US- und EU-Projekte lösten ähnliche groß angelegte Forschungsanstrengungen in Ländern wie Japan, Australien, Kanada, China, Südkorea und Israel aus. Eine neue Ära der Neurowissenschaften hatte begonnen.

Ein unmöglicher Traum?

Ein Jahrzehnt später läuft das US-Projekt aus, und das EU-Projekt steht vor seiner Frist, um ein digitales Gehirn zu bauen. Also wie ist es gelaufen? Haben wir begonnen, die Geheimnisse des menschlichen Gehirns zu lüften? Oder haben wir ein Jahrzehnt und Milliarden von Dollar ausgegeben, um einer Vision nachzujagen, die so schwer fassbar ist wie eh und je?

Beide Projekte hatten von Anfang an Kritik.

EU-Wissenschaftler machten sich Sorgen um die Kosten des Markram-Programms und dachten, es würde andere neurowissenschaftliche Forschung verdrängen. Und selbst bei dem ursprünglichen Treffen im Jahr 2011, bei dem Yuste und Church ihre ehrgeizige Vision vorstellten, argumentierten viele ihrer Kollegen, dass es einfach nicht möglich sei, das komplexe Feuern von Milliarden menschlicher Neuronen abzubilden. Andere sagten, es sei machbar, würde aber zu viel Geld kosten und mehr Daten generieren, als die Forscher wissen würden, was sie damit anfangen sollen.

In einem brisanten Artikel, der 2013 in Scientific American erschien, sagte Partha Mitra, ein Neurowissenschaftler am Cold Spring Harbor Laboratory, warnte vor dem irrationalen Überschwang hinter der Brain Activity Map und hinterfragte, ob ihr Gesamtziel sinnvoll sei.

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Selbst wenn es möglich wäre, alle Spikes von allen Neuronen auf einmal aufzuzeichnen, argumentierte er, existiert ein Gehirn nicht isoliert: Um die Punkte richtig zu verbinden, müssten Sie gleichzeitig externe Reize aufzeichnen, denen das Gehirn ausgesetzt ist , sowie das Verhalten des Organismus. Und er argumentierte, dass wir das Gehirn auf makroskopischer Ebene verstehen müssen, bevor wir versuchen zu entschlüsseln, was das Feuern einzelner Neuronen bedeutet.

Andere hatten Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen einer Zentralisierung der Kontrolle über diese Felder. Cornelia Bargmann, Neurowissenschaftlerin an der Rockefeller University, befürchtete, dass dies die von einzelnen Forschern angeführte Forschung verdrängen würde. (Bargmann wurde bald zum Co-Leiter der Arbeitsgruppe der BRAIN-Initiative ernannt.)

Es gibt keine einheitliche Theorie darüber, wie das Gehirn funktioniert, und nicht alle auf diesem Gebiet waren sich einig, dass der Bau eines simulierten Gehirns der beste Weg ist, es zu untersuchen.

Während die US-Initiative Beiträge von Wissenschaftlern einholte, um ihre Richtung zu bestimmen, war das EU-Projekt entschieden mehr von oben nach unten ausgerichtet, mit Markram an der Spitze. Aber wie Noah Hutton in seinem Film von 2020 dokumentiert In Siliko , Markrams große Pläne entwirrten sich bald. Als Student der Neurowissenschaften war Hutton beauftragt worden, Markrams Arbeiten zu lesen, und war beeindruckt von seinem Vorschlag, das menschliche Gehirn zu simulieren; Als er anfing, Dokumentarfilme zu machen, beschloss er, die Bemühungen aufzuzeichnen. Er erkannte jedoch bald, dass das Milliarden-Dollar-Unternehmen eher von Machtkämpfen und Zielverschiebungen als von bahnbrechender Wissenschaft geprägt war.

In Siliko zeigt Markram als eine charismatische Führungspersönlichkeit, die kühne Behauptungen über die Zukunft der Neurowissenschaften aufstellen musste, um die Finanzierung für die Verwirklichung seiner besonderen Vision zu erhalten. Aber das Projekt wurde von Anfang an durch ein großes Problem beunruhigt: Es gibt keine einzige, vereinbarte Theorie darüber, wie das Gehirn funktioniert, und nicht alle auf dem Gebiet waren sich einig, dass der Bau eines simulierten Gehirns der beste Weg ist, es zu untersuchen. Es dauerte nicht lange, bis diese Unterschiede im EU-Projekt auftauchten.

Im Jahr 2014 verfassten Hunderte von Experten in ganz Europa einen Brief, in dem sie Bedenken hinsichtlich der Aufsicht, der Finanzierungsmechanismen und der Transparenz in der Menschliches Gehirn-Projekt . Die Wissenschaftler hielten Markrams Ziel für verfrüht und zu eng gefasst und würden die Finanzierung von Forschern ausschließen, die nach anderen Wegen suchen, das Gehirn zu untersuchen.

Was mir aufgefallen ist, wenn er erfolgreich war und es eingeschaltet hat und das simulierte Gehirn funktionierte, was haben Sie gelernt? Terry Sejnowski, ein Computational Neuroscientist am Salk Institute, der im Beratungsausschuss der BRAIN-Initiative tätig war, erzählte es mir. Die Simulation ist genauso kompliziert wie das Gehirn.

Der Vorstand des Human Brain Project stimmte Anfang 2015 für eine Änderung seiner Organisation und Führung und ersetzte ein dreiköpfiges Exekutivkomitee unter der Leitung von Markram durch einen 22-köpfigen Verwaltungsrat. Christoph Ebell, ein Schweizer Unternehmer mit einem Hintergrund in Wissenschaftsdiplomatie, wurde zum Geschäftsführer ernannt. Als ich übernahm, war das Projekt an einem kritischen Punkt, sagt er. Die Leute fragten sich offen, ob das Projekt vorankommen würde.

Aber ein paar Jahre später war auch er weg, nach einer strategischen Meinungsverschiedenheit mit der Gastinstitution des Projekts. Das Projekt konzentriert sich nun auf die Bereitstellung einer neuen computergestützten Forschungsinfrastruktur, um Neurowissenschaftlern dabei zu helfen, große Datenmengen zu speichern, zu verarbeiten und zu analysieren – unsystematische Datenerfassung war ein Problem für das Gebiet – und 3D-Gehirnatlanten und Software zur Erstellung von Simulationen zu entwickeln.

Die US-amerikanische BRAIN-Initiative hat derweil ihre eigenen Veränderungen erfahren. Schon früh, im Jahr 2014, reagierte es auf die Bedenken von Wissenschaftlern und erkannte die Grenzen des Möglichen an und entwickelte sich zu etwas Pragmatischerem, das sich darauf konzentrierte Entwicklung von Technologien zur Untersuchung des Gehirns.

Neuer Tag

Diese Veränderungen zeigen endlich Ergebnisse – auch wenn sie nicht die waren, die die Gründer der einzelnen großen Gehirnprojekte ursprünglich vorgesehen hatten.

Letztes Jahr veröffentlichte das Human Brain Project a Digitale 3D-Karte, die verschiedene Aspekte der menschlichen Gehirnorganisation integriert auf Millimeter- und Mikrometerebene. Es ist im Wesentlichen ein Google Earth für das Gehirn.

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Und Anfang dieses Jahres berichteten Alipasha Vaziri, ein von der BRAIN Initiative finanzierter Neurowissenschaftler, und sein Team von der Rockefeller University in einem Preprint-Papier, dass sie gleichzeitig die Aktivität von mehr als einer Million Neuronen im Mauskortex aufgezeichnet hatten. Es ist die bisher größte Aufzeichnung tierischer kortikaler Aktivität, wenn auch weit davon entfernt, alle 86 Milliarden Neuronen im menschlichen Gehirn abzuhören, wie es die ursprüngliche Brain Activity Map erhofft hatte.

Die US-Bemühungen haben auch einige Fortschritte bei ihrem Versuch gezeigt, neue Werkzeuge zur Untersuchung des Gehirns zu bauen. Es hat die Entwicklung der Optogenetik beschleunigt, eines Ansatzes, der Licht zur Steuerung von Neuronen verwendet, und seine Finanzierung hat zu neuen Siliziumelektroden mit hoher Dichte geführt, die in der Lage sind, gleichzeitig von Hunderten von Neuronen aufzuzeichnen. Und es hat wohl die Entwicklung der Einzelzellsequenzierung beschleunigt. Im September werden Forscher, die sich diese Fortschritte zunutze machen, eine detaillierte Klassifikation von Zelltypen in den Motorkortexen der Maus und des Menschen veröffentlichen – das bisher größte Einzelergebnis der BRAIN-Initiative.

Obwohl dies alles wichtige Schritte nach vorne sind, sind sie weit von den anfänglichen großen Ambitionen entfernt.

Bleibendes Erbe

Wir gehen jetzt in die letzte Phase dieser Projekte – die EU-Bemühungen werden 2023 abgeschlossen, während die US-Initiative voraussichtlich bis 2026 finanziert wird. Was in diesen nächsten Jahren passiert, wird bestimmen, wie viel Einfluss sie auf die haben werden Bereich der Neurowissenschaften.

Als ich Ebell fragte, was er als die größte Errungenschaft des Human Brain Project ansieht, nannte er keine wissenschaftliche Errungenschaft. Stattdessen zeigte er auf EBRAINS , eine im April dieses Jahres eingeführte Plattform, die Neurowissenschaftlern dabei helfen soll, mit neurologischen Daten zu arbeiten, Modelle zu erstellen und Gehirnfunktionen zu simulieren. Es bietet Forschern eine breite Palette von Daten und verbindet viele der fortschrittlichsten europäischen Laboreinrichtungen, Supercomputing-Zentren, Kliniken und Technologiezentren in einem System.

Wenn Sie mich fragen: „Sind Sie mit dem Ergebnis zufrieden?“, würde ich ja sagen, sagte Ebell. Hat es zu den von manchen erwarteten Durchbrüchen im Hinblick auf ein völlig neues Verständnis des Gehirns geführt? Vielleicht nicht.

Katrin Amunts, Neurowissenschaftlerin an der Universität Düsseldorf, die seit 2016 wissenschaftliche Forschungsleiterin des Human Brain Project ist, sagt, dass Markrams Traum, das menschliche Gehirn zu simulieren, zwar noch nicht verwirklicht wurde, aber immer näher rückt. Wir werden die letzten drei Jahre nutzen, um solche Simulationen durchzuführen, sagt sie. Aber es wird kein großes, einzelnes Modell sein – stattdessen werden mehrere Simulationsansätze benötigt, um das Gehirn in seiner ganzen Komplexität zu verstehen.

Inzwischen hat die BRAIN-Initiative Forschern bisher mehr als 900 Stipendien in Höhe von insgesamt rund 2 Milliarden US-Dollar gewährt. Bis zum Abschluss des Projekts werden die National Institutes of Health voraussichtlich fast 6 Milliarden US-Dollar für das Projekt ausgeben.

In der letzten Phase der BRAIN-Initiative werden Wissenschaftler versuchen zu verstehen, wie Schaltkreise im Gehirn funktionieren, indem sie verbundene Neuronen grafisch darstellen. Doch die Ansprüche auf das Machbare sind weit zurückhaltender als in den Anfängen des Projekts. Die Forscher erkennen jetzt, dass das Verständnis des Gehirns eine fortlaufende Aufgabe sein wird – es ist etwas, das nicht bis zum Abgabetermin eines Projekts abgeschlossen werden kann, selbst wenn dieses Projekt seine spezifischen Ziele erreicht.

Mit einem brandneuen Werkzeug oder einem fabelhaften neuen Mikroskop wissen Sie, wann Sie es haben. Wenn es darum geht, zu verstehen, wie ein Teil des Gehirns funktioniert oder wie das Gehirn tatsächlich eine Aufgabe erledigt, ist es viel schwieriger zu wissen, was Erfolg ist, sagt Eve Marder, Neurowissenschaftlerin an der Brandeis University. Und Erfolg für eine Person wäre nur der Anfang der Geschichte für eine andere Person.

Yuste und seine Kollegen hatten Recht, dass neue Werkzeuge und Techniken benötigt würden, um das Gehirn auf sinnvollere Weise zu untersuchen. Jetzt müssen die Wissenschaftler herausfinden, wie man sie benutzt. Aber anstatt die Frage nach dem Bewusstsein zu beantworten, hat die Entwicklung dieser Methoden eher noch mehr Fragen zum Gehirn aufgeworfen – und gezeigt, wie komplex es ist.

Ich muss ehrlich sein, sagt Yuste. Wir hatten höhere Hoffnungen.

Emily Mullin ist freiberuflicher Journalist mit Schwerpunkt Biotechnologie in Pittsburgh.

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