Archive for February, 2013

Human Brain Project bouwt mensenbrein in supercomputer

Posted on: February 25th, 2013 by Daan Schetselaar 1 Comment

Onderzoekers van het Human Brain Project bouwen een virtueel brein. Dat moet precies zo gaan functioneren als de menselijke hersenen. Alleen draait het niet op hersencellen maar op siliciumchips in een supercomputer. De Europese Commissie heeft het project in januari uitgeroepen tot Flagship-project. Voor de komende 10 jaar is een half miljard euro subsidie toegezegd, andere participanten leggen nog eens eenzelfde bedrag bij. Volgens de breinbouwers genoeg om een revolutie te ontketenen in de neurowetenschap.

In een computerruimte in het Zwitserse Lausanne staat in vier glimmende zwarte kasten een IBM Blue Gene/P supercomputer. Zijn 16.000 processors maken op volle snelheid 56 biljoen berekeningen per seconde. Samen simuleren ze een piepklein stukje rattencortex. Ze doen niet zo’n beetje alsof: de simulatie is uitgewerkt tot in de kleinste biologische details. Maar het is slechts een voorproefje, want de bouwers hebben veel grotere plannen. Over een jaar of drie, denken ze een compleet virtueel knaagdierenbrein te draaien. Daarna komt het mensenbrein aan de beurt. Van de kleinste microscopische details zoals ionenkanaaltjes, synapsen, genen en proteïnen tot grootschalige anatomische structuren zoals hersenkwabben.

 

Droom

Labs over de hele wereld produceren jaarlijks zo’n 60.000 neurowetenschappelijke publicaties. Maar om het brein echt te begrijpen moeten we niet alleen nog meer data verzamelen, maar vooral: organiseren en integreren. Door alle beschikbare neuro-kennis bij elkaar te brengen in een gigantisch computermodel. Het is de droom van onderzoeksleider Henry Markram van het Brain Mind Institute in Lausanne. Nu zijn Human Brain Project is uitgeroepen tot Europees Flagship (net als overigens een Noors project op het gebied van het wondermateriaal grafeen, dat ook 1 miljard in het vooruitzicht is gesteld) krijgt hij de kans om zijn plannen daadwerkelijk te realiseren.

Markram en zijn team gaan de subsidiepot niet zelf leegmaken. Meer dan 80 Europese onderzoeksinstellingen (waarvan zes in Nederland) en enkele uit de V.S. en Japan zijn bij het project betrokken. Zij gaan experimenten doen om de nog talloze gaten in microbiologische kennis op te vullen. Maar ook IT-oplossingen ontwikkelen die het model automatisch gaan voeden met data uit wetenschappelijke publicaties.

 

Organisatieprincipes

De onderzoekers hopen uiteindelijk onze cognitieve functies te kunnen nabootsen. Toch is het Human Brain Project niet de zoveelste poging om een computer allerlei slimme, menselijke dingen te laten doen. Het doel is mensenhersens te bouwen vanaf de kleinste bouwstenen en volgens fundamentele biologische regels. Dat zijn de organisatieprincipes die bijvoorbeeld bepalen waar verschillende neurontypes zich ontwikkelen en hoe ze verbindingen aangaan met hun buren. Die regels worden ontleend aan experimenten met echte breinen, maar zullen deels ook gaandeweg volgen uit het model in wording.

De onderzoekers denken dat als hun model maar natuurgetrouw genoeg in elkaar steekt, het vanzelf net zo gaat functioneren als echte hersenen. En inderdaad: het gesimuleerde stukje rattencortex in Lausanne vertoont al gamma-oscillatie, de ritmische activiteit die in echte hersenen een belangrijke rol speelt bij aandacht. Dat gedrag is niet voorgeprogrammeerd, maar zogenaamd emergent: het komt als vanzelf tevoorschijn uit de interacties tussen de miljoenen virtuele neuronen. Niet dat elke neurowetenschapper sindsdien staat te juichen om het Human Brian Project. Sommige vrezen dat het financiering wegzuigt van ander onderzoek, en zelf onherroepelijk zal verzanden in de microscopische details. En wat als het wel lukt: schieten we eigenlijk wel wat op met een computersimulatie die net zo ingewikkeld is als een echt brein?

 

Molecuul-resolutie

Onderzoeksleider Henry Markram is er stellig van overtuigd dat zijn silicium-brein over 10 jaar operationeel is. Wetenschappers over de hele wereld zullen er dan virtuele experimenten mee kunnen uitvoeren. Desgewenst zoomen ze in tot molecuul-resolutie om te zien welke effecten hun manipulaties exact hebben. Het zal ongetwijfeld leiden tot nieuwe inzichten over wat zich precies in onze eigen bovenkamer afspeelt. Ook de mogelijkheden voor medisch onderzoek naar hersenziekten vormen een belangrijk argument voor de mega-financiering. Nieuwe medicijnen testen, kan straks ‘in silico’; niet alleen veel goedkoper, maar ook vele malen effectiever. Europa hoopt bovendien met het Human Brain Project een voorsprong te nemen in de ontwikkeling van op het brein gebaseerde computertechnologie, waarmee computers misschien eindelijk eens echt slim gaan worden.

 

Menselijke geest

Over tien jaar staat ergens op de wereld waarschijnlijk een supercomputer te zoemen op het ritme van 1018 (een triljoen) berekeningen per seconde. Zijn elektronische circuits herbergen misschien geen onbreekbare beveiligingscode of een klimaatmodel, maar een menselijk brein. Interactie via een al dan niet virtuele robot ligt voor de hand. Hoe goed zouden we de hersenen moeten nabootsen om ook een menselijke geest te produceren? Eentje die kan denken en dromen. Die zich kan vergissen, hoop kan koesteren, verliefd worden. Als het Human Brain Project zijn belofte waarmaakt, breekt over 10 jaar een nieuw tijdperk aan. Niet alleen voor de neurowetenschap, geneeskunde en ICT maar ook voor de geest, die voor het eerst zijn organische jas verruilt voor een omhulsel van silicium en plastic.

 

Zie de website van het human brain project voor meer informatie

Ruis op de lijn

Posted on: February 21st, 2013 by Tom de Graaf No Comments

Hersenonderzoekers kunnen tegenwoordig gebruik maken van een heel arsenaal aan onderzoeksmethoden. EEG gebruikt elektroden op het hoofd om hersengolven op te vangen. FMRI vereist proefpersonen hun schedels in gigantische magneten te stoppen om tot op de millimeter nauwkeurig te volgen waar activiteit plaats vindt in het brein. TMS daarentegen gebruikt magnetische stimulatie, om specifieke delen van de hersenen kort te verstoren of juist te stimuleren. Deze ‘grote drie’ hebben de cognitieve neurowetenschappen, het onderzoeksveld dat probeert menselijke mentale functies te linken aan de hersenen, tot bloei gebracht.

Echter, het veld staat niet stil. Met steeds meer inzichten in het brein worden nieuwe vragen steeds specifieker en worden de onderzoeksmethoden steeds geavanceerder. Niet alleen wordt er wat betreft de analyse van hersendata hard aan de weg getimmerd, ook worden er nog altijd nieuwe meet- en stimulatie-methoden geïntroduceerd. Zo is recent geopperd dat een relatief eenvoudige magneet de hersenactiviteit kan beïnvloeden, zonder verder benodigde technische hulpmiddelen, gewoon door hem op het hoofd te plaatsen. Over dit nieuwe voorstel heb ik tot op heden nog geen goed onderbouwde mening gevormd, al blijf ik uit voorzichtigheid gewoon nog even lekker sceptisch. Maar een breinstimulatie methode die inmiddels wel gevestigd is biedt spannende mogelijkheden. tDCS, transcraniale ‘direct current’ stimulatie, lijkt in bepaalde opzichten op TMS (transcraniale magnetische stimulatie). Net als TMS kan tDCS gebruikt worden om hersengebieden meer of minder ‘actief’ te maken (er zitten wat haken en ogen aan deze definitie, maar de details zijn niet zo belangrijk). Het werkt iets anders; waar TMS magnetische pulsen in het brein stuurt, is er bij tDCS sprake van een zwakke elektrische stroom. Ik ben nog geen proefpersoon geweest in een dergelijk experiment, maar het schijnt wat te kietelen in het begin hoewel het verder pijnloos is. Afhankelijk van de richting van de stroom kan een gebied waar een elektrode op geplakt is meer of minder actief zijn tijdens en/of na de stimulatie. Effectief kan deze methode tot zo ver ongeveer hetzelfde als TMS al kon, maar op een andere manier. Maar dan…

Een tweede manier om de apparatuur van tDCS te gebruiken is het wisselen van de richting van de elektrische stroom. Dit noemt men tACS (transcraniale ‘alternating current’ stimulation) Men plakt dus twee elektroden op het hoofd van de proefpersoon, en laat de stroom eerst van de elektrode 1 naar elektrode 2 lopen, dan andersom, dan weer andersom, enzovoort, in een stabiel ritme. Dit ritme kan dan langzamer of sneller zijn, en deze snelheid wordt weergegeven als de ‘frequentie’ van de stimulatie (ofwel het aantal wisselingen per seconde). Aangezien hersengolven, gemeten door bijvoorbeeld EEG apparatuur, ook oscilleren in bepaalde frequenties, kan tACS mogelijk de hersengolven met specifieke frequenties stimuleren door de stroomrichting met diezelfde frequenties te laten wisselen. Zo gaat men van het stimuleren van hersengebieden naar het stimuleren van hersengolven, ofwel hersenprocessen. Tenslotte is een belangrijke functie van die hersengolven het zorgdragen voor communicatie binnen en tussen hersengebieden. Fantastisch!

De bestaansreden van deze blog is een onderzoek dat eind vorig jaar werd gepubliceerd. In dat onderzoek ging men nog een stapje verder. Eerder onderzoek met EEG en MEG had al gedemonstreerd dat hersengolven met de ‘theta-frequentie’, dat wil zeggen een frequentie van rond de 4-5 golven per seconden, betrokken zijn bij bepaalde geheugentaken. Sterker nog, dankzij voorgenoemde ontwikkeling van analysemethoden hadden onderzoekers ook al aan kunnen tonen dat dit soort hersengolven in twee hersengebieden (frontale en pariëtale cortex) synchroon lopen tijdens geheugentaken. Dit soort gelijklopende hersengolven worden vaker gezien; het lijkt te betekenen dat twee hersengebieden samenwerken tijdens bepaalde functies of aan bepaalde taken. Dus, stap 1 voor Polanìa en collega’s was om deze vondst te reproduceren middels EEG. Dat lukte; inderdaad waren er sterke hersengolven met een theta-frequentie in frontale en pariëtale cortex tijdens een geheugentaak, bovendien liepen deze hersengolven synchroon met elkaar. Toen vroegen de onderzoekers zich af: leuk en aardig, maar hoe weten we nu of die synchroon lopende hersengolven ook werkelijk belangrijk zijn voor de uitvoering van de taak?! (Misschien waren de hersengolven wel een teken van verveeldheid, omdat proefpersonen de taak zo saai vonden, en hadden de golven niets met geheugentaken te maken.)

Stap 2 voor de onderzoekers was daarom het gebruik van tACS om de hersengolven te beïnvloeden. Sterker nog, ze wilden specifiek de communicatie tussen frontale en pariëtale cortex beïnvloeden, door hersengolven met theta-frequentie in die twee gebieden expres WEL, of juist expres NIET synchroon te laten lopen. Ze stimuleerden daarom met wisselende stroom, met theta-frequentie (en andere frequenties in een controle-conditie), de frontale en de pariëtale cortex. Ze deden dit precies zo, dat in één experimentele conditie de gestimuleerde golven in de twee hersengebieden synchroon liepen, en dat in één experimentele conditie de gestimuleerde golven in de twee hersengebieden expres juist niet synchroon liepen (‘verkeerd-om stimulatie’). Vervolgens keken ze naar het effect van deze manipulaties. Ik persoonlijk ben zeer enthousiast over de resultaten. Compleet volgens de hypothese vonden de onderzoekers dat proefpersonen slechter werden in de geheugentaak als de hersengolven niet-synchroon werden gestimuleerd. Dat wil dus zeggen dat het juist die synchroniciteit van de hersengolven tussen de twee gebieden is die belangrijk is voor goede uitvoering van de geheugentaak. Ook leuk: bij het juist synchroon stimuleren van de twee gebieden werden proefpersonen nog BETER in de geheugentaak dan voorheen! Dit is wederom bewijs voor het belang van de synchrone hersengolven, maar laat bovendien nog zien dat er ruimte is voor verbetering in het brein.

Dit onderzoek was knap en zeer stimulerend (woordgrapje…). TMS en sinds recent steeds vaker tDCS werden al vaker gebruikt om hersengebieden meer of minder actief te maken om te zien wat het effect was op gedrag of perceptie. Sinds een aantal jaar werden deze methoden gebruikt om niet alleen gebieden, maar specifiek bepaalde hersengolven te stimuleren, om het belang daarvan voor gedragstaken te evalueren. Maar dit was de eerste keer dat juist  de relatie tussen hersengolven in verschillende gebieden, dus direct de communicatie tussen gebieden, werd gemanipuleerd om het belang van die communicatie te bekijken. Dat opent de deur naar een hele nieuwe reeks onderzoeken, waar weer allerlei geweldige dingen uit zullen gaan komen. Ik kan niet wachten!

Please wait... loading