Al ruim tien jaar wordt er in Lausanne (Zwitserland) hard gewerkt aan het Blue Brain Project, een ambitieus plan om het hele menselijke brein in kaart te brengen. Eén van de tussentijdse doelstellingen van dit project is om ‘klein’ te beginnen: het digitaal reconstrueren van een stukje van een rattenbrein. De eerste resultaten zijn afgelopen week gepubliceerd in het tijdschrift Cell, en laten zien dat het digitale stukje brein zich gedraagt als een écht plakje hersenen. Hoe het modelleren van piepkleine cellen kan leiden tot een netwerk dat ‘leeft’.

Als je te weten wil komen hoe de motor van een auto werkt zou je hem volledig uit elkaar kunnen halen, om hem vervolgens stukje voor stukje weer in elkaar te zetten. Waar elektrische en mechanische apparatuur zich lenen voor een dergelijke reconstructie, is een levend orgaan een stuk problematischer. Het uit elkaar halen van een levend stuk weefsel zorgt er doorgaans voor dat het niet meer werkt wanneer je het weer in elkaar zet. En dat is erg jammer wanneer je geïnteresseerd bent in, zeg, de werking van het brein. Zou je die grijze massa niet digitaal kunnen reconstrueren?

Digitaal reconstrueren

Een brein reconstrueren is geen makkelijk klusje. De hersenen zijn opgebouwd uit maar liefst 86 miljard hersencellen, die elk zo’n tienduizend verbindingen hebben met andere neuronen. Er bestaan verschillende soorten neuronen, en elke soort gaat op een andere manier verbindingen aan met z’n collega’s. Daarnaast vinden er ingewikkelde chemische processen plaats binnen zo’n cel, die de precieze wijze waarop het neuron functioneert kunnen beïnvloeden. Om een waarheidsgetrouw model van het brein na te kunnen maken, zul je dus eerst tot op moleculair niveau in kaart moeten brengen hoe het hele zaakje in elkaar steekt.

Een uitgebreid internationaal team van neurowetenschappers, biologen, statistici en computerwetenschappers is de afgelopen jaren in Lausanne, Zwitserland druk bezig geweest om precies dit te doen. Nauwkeurig werd uitgedokterd hoe het functioneren van één enkel neuron het best gesimuleerd kon worden op een computer, tot aan het in- en uitstromen van ionen aan toe. Tegelijkertijd hielden andere onderzoekers zich bezig met het uitvogelen van een andere taak: welke neuronen komen op welke plek in het brein in welke mate voor? Omdat het een onbegonnen taak is om elke gesimuleerde hersencel ‘handmatig’ in te voeren in een computer en te koppelen aan andere digitale cellen, lieten de knappe koppen deze taak liever over aan statistische algoritmen. Op basis van vele jaren aan experimenten met echte rattenbreintjes heeft men een idee gekregen hoe de verschillende neuronen zijn verdeeld over het brein, en op welke manier deze neuronen verbonden zijn met hun zusterneuronen. Gecombineerd met de nauwkeurige simulaties van individuele neuronen werden deze statistische gegevens aan een knap stuk software verstrekt, die op basis hiervan aan de slag kon gaan met het creëren van een digitaal stukje rattenbrein. Dit resulteerde in een plakje brein bestaande uit 31,000 neuronen, verdeeld over 55 lagen, met in totaal 207 verschillende typen neuronen en maar liefst 40 miljoen synapsen.

Het netwerk inschakelen

Het grote voordeel van een reconstructie die tot op het moleculaire niveau waarheidsgetrouw is, is dat je het stukje brein als het ware ‘aan kunt zetten’. Een buitengewoon krachtige computer simuleert met hoge precisie wat er binnen elk digitaal neuron gebeurt nu al deze virtuele cellen met elkaar in verbinding staan. De neuronen ontvangen signalen van elkaar, verwerken deze, en sturen zelf weer output door naar andere neuronen. Wat gebeurt er dan met het hele netwerk? Resulteert het in één grote ongeorganiseerde wirwar van signalen over en weer? Of ontstaat er een zekere structuur?

Het digitale stukje brein in actie

Nu het gesimuleerde plakje cortex in actie was, konden de onderzoekers kijken wat er gebeurt als er een klein beetje gespeeld werd met bepaalde instellingen. Zo bleek bijvoorbeeld dat het voorzichtig veranderen van de hoeveelheid calcium-ionen binnen de virtuele neuronen resulteerde in een golvend patroon van hersenactiviteit, waarbij neuronen massaal synchroon signaaltjes af begonnen te vuren. Ook waren de wetenschappers in staat om het gesimuleerde stukje hersenen een zogeheten slow wave patroon te laten vertonen, iets dat bij mensen voorkomt tijdens de slaap.

Geheel is meer dan som der delen

De onderzoekers laten met deze complexe simulatie zien dat het mogelijk is om een stukje van de hersenen digitaal te simuleren, waarbij het eigenschappen gaat vertonen die niet van tevoren waren ingeprogrammeerd, maar die wel overeenkomen met een écht stukje brein. Er ontstaan met een mooi woord emergente eigenschappen in het netwerk: complexe systematiek die niet verklaard kan worden op het niveau van ‘simpele’ neuronen. De hersencellen volgen specifieke spelregels, maar in een complex netwerk gebeuren er zaken die je niet kunt verklaren aan de hand van diezelfde regels.

Als je je bedenkt dat dit slechts een piepklein stukje cortex is vergeleken bij een volwassen menselijk brein, wat kunnen we dan verwachten van een complete breinsimulatie? Alle 86 miljard neuronen in een enorme supercomputer, continu communicerend met elkaar. Een kakofonie van signalen, het ontstaan van bepaalde patronen van activiteit. Zou dit brein net als ons brein een vorm van bewustzijn krijgen als emergent resultaat van het enorme functionerende netwerk? En zou het dan onethisch zijn om het brein weer uit te schakelen?

Dit onderzoek werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Cell.

 

Dit artikel verscheen ook op brainmatters.nl en scilogs.be.