Human Brain Project öffnet seine wissenschaftliche Infrastruktur

Das Human Brain Project (HBP) hat seine in den letzten zweieinhalb Jahren aufgebaute wissenschaftliche Infrastruktur für Forscher geöffnet. Sie soll dabei helfen, die Organisation des menschlichen Gehirns durch Analysen und Simulationen zu erforschen sowie neurologische und psychische Erkrankungen zu bekämpfen.

Das HBP war Ende Januar 2013 als europäisches FET-Flagship-Projekt ausgewählt worden. Mit der Eröffnung der wissenschaftlichen Infrastruktur tritt es in die nächste Phase ein. Sie umfasst unter anderem neurosynaptische Systeme, die sich an den Arbeitsprinzipien des Gehirns orientieren.

Die HBP-Infrastruktur ist über verschiedene Plattformen zugänglich. Neben der Neurowissenschaft soll sie die europäische HPC- und Robotik-Entwicklung vorantreiben sowie Wissenschaftler über vier große europäische Supercomputer- und Rechenzentren vernetzen. Sie wird somit auch Forschern zur Verfügung stehen, die nicht dem Projektkonsortium angehören.

Wissenschaftler der Supercomputerzentren des Forschungszentrums Jülich und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) koordinieren den Aufbau und die Arbeit der Plattform für „High Performance Analytics and Computing“. Mit deren Hilfe werden die gewaltigen Datenmengen, wie sie die Neurowissenschaften über das menschliche Gehirn zusammentragen, gespeichert, in Modelle integriert und in Simulationen ausgewertet.

Das Jülich Supercomputing Centre (JSC) unterstützt die europäischen Neurowissenschaftler gemeinsam mit zwölf Kooperationspartnern in der Nutzung der Supercomputer-Ressourcen, der Speichersysteme sowie der Anwender-Software. Die Datenmengen in der Größenordnung von Petabytes können auf Superrechnern wie Jureca mithilfe moderner Verfahren wie Deep Learning analysiert und dargestellt werden. „Anwender und Entwickler arbeiten hier ganz eng zusammen. Wir entwickeln gemeinsam mit führenden Herstellern den interaktiven Supercomputer, den man so einfach wie ein Laptop nutzen kann und der ein entscheidendes wissenschaftliches Instrument für ‚in silico‘-Experimente an virtuellen menschlichen Gehirnen ist“, erklärt JSC-Direktor Thomas Lippert, der zusammen mit Thomas Schulthess von der ETH Zürich die Plattform leitet.

Katrin Amunts, Direktorin des Instituts für Strukturelle und funktionelle Organisation des Gehirns am Forschungszentrum Jülich, nutzt mit ihrer Forschungsgruppe die Plattform für die Entwicklung des dreidimensionalen Hirnmodells „BigBrain“, das die weltweit detaillierteste Rekonstruktion der Zellstruktur eines vollständigen menschlichen Gehirns darstellt. Der zukünftige HBP-Hirnatlas wird auch Informationen zu Nervenfaserbahnen beinhalten, die verschiedene Hirnregionen miteinander verbinden. „Unser Hirnatlas wird Forschern inner- und außerhalb des Human Brain Project Zugriff auf alle weltweit verfügbaren Daten über das Gehirn ermöglichen, ähnlich wie Google-Earth“, erläutert Amunts, die das HBP-Teilprojekt zur Human-Brain-Organisation leitet.

Das Team um Markus Diesmann, Direktor am Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin, untersucht neuronale Netzwerke im Gehirn. Mithilfe von Supercomputern wollen die Forscher Rückschlüsse auf das gesamte Gehirn mit seinen rund 100 Milliarden Nervenzellen ziehen. Aber selbst die leistungsstärksten Supercomputer können derzeit gerade einmal ein Prozent des menschlichen Gehirns simulieren. Dabei darf die Simulation eine kritische Anzahl von Neuronen und Synapsen jedoch nicht unterschreiten, weil die Abweichungen von der Realität ansonsten zu groß werden. „Dazu entwickeln wir auf dem Jülicher Supercomputer Juqueen fehlerkorrigierende mathematische Modelle sowie die notwendige Simulations- und Auswertungssoftware für Big-Data-Analysen. Dies geschieht im Rahmen der Neural Simulation Technology Initiative, kurz NEST“, so Diesmann.

In einer Live-Demo zur gestrigen Eröffnung zeigte das Team von Diesmanns Stellvertreterin Sonja Grün beispielhaft, wie künftig ein komplexer Arbeitsablauf mihilfe der HBP-Forschungsinfrastruktur durchgeführt und vollständig wissenschaftlich dokumentiert werden kann. Sie umfasste die Erstellung eines mathematischen Modells mit der Software NEST, seine Simulation auf einem Supercomputer, die Analyse der berechneten Daten mithilfe des Software-Tools „Elephant“ sowie die Visualisierung der Resultate.

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