Supercomputer simuleert muizenbreintje

Drie Amerikaanse wetenschappers hebben een IBM Blue Gene/L ingezet om een simulatie van het functioneren van muizenhersenen te maken. Hun werk leverde karakteristieken op die vergelijkbaar zijn met de gedachtenpatronen van echte muizen.

Het bouwen van virtuele hersenen is een complex probleem vanwege de grote hoeveelheid componenten, die op hun beurt weer op een groot aantal manieren kunnen functioneren. Een normaal setje muizenhersens beschikt over ongeveer acht miljoen zenuwcellen, die elk via grofweg achtduizend synapsen met andere zenuwcellen kunnen communiceren. James Frye, Rajagopal Ananthanarayanan en Dharmendra Modha beschreven in een publicatie hoe ze een simulatie van achtduizend zenuwcellen met 6300 synapsen per stuk uitvoerden. Hoewel de simulatie maar een miniem fragment van het muizenbrein besloeg, bleek de opdracht een behoorlijke aanslag op de rekenkracht van Blue Gene, die over 4096 processors met elk 256MB geheugen beschikte. De drie willen uiteindelijk een real-timesimulatie van een volledig knaagdierenbrein uitvoeren, maar het eenduizendste breintje in de IBM bleek ongeveer tienmaal zo traag te functioneren als de hersencellen van een normale muis.

De resultaten zijn echter veelbelovend. De virtuele zenuwcellen interageerden op een manier die heel wat wegheeft van natuurlijke processen; de onderzoekers claimen dat ze 'biologisch consistente dynamische eigenschappen' hebben waargenomen en de gesimuleerde synapsen leken groepsgewijs te functioneren. Daarbij moet wel worden aangetekend dat bepaalde stucturen die in echte muizenhersens voorkomen, in de simulatie ontbraken. De grote vraag is of het vergroten van de beschikbare rekenkracht afdoende is, of dat er meer nodig is om dergelijke structuren aan te brengen. Op het onderzoeksprogramma staan nu onder andere het voorprogrammeren van bepaalde structuren en het vergroten van de natuurgetrouwheid van de manier waarop de zenuwcellen en de synapsen werken.

Het vergelijkbare Blue Brain-project van de Universiteit van Lausanne haalde eerder deze maand het nieuws met een succesvolle simulatie van ongeveer tienduizend zenuwcellen. Het Zwitserse team streeft een kopie van een rattenbrein na, en ook zij namen processen waar die grote gelijkenis met het natuurlijke functioneren van hersencellen vertonen. De resultaten zouden nog niet veel met 'echt' denken te maken hebben, maar er vinden wel spontane processen plaats, die wijzen op een bepaalde mate van zelfwerkzaamheid. Of een van beide groepen er in zal slagen om een redelijk compleet model van zoogdierenhersens te produceren moet nog even worden afgewacht; of de virtuele processen tot een bepaalde functionaliteit, zoals een rudimentair zelfbewustzijn, kunnen leiden is nog volstrekt onduidelijk. Wel is helder dat het uiteindelijke doel van beide onderzoeksteams, het simuleren van een volledig mensenbrein, nog lang op zich zal laten wachten. De acht- tot tienduizend virtuele zenuwcellen moeten daarvoor namelijk nog een kleine honderd miljard collega's krijgen, en op de daarvoor benodigde rekenkracht hoeft de eerstvolgende jaren niet gerekend te worden.