The blue brain project - Markram (2016) - Artikel

Het ‘Blue Brain Project’ werd gelanceerd in juli 2005 door het ‘Brain Mind Institute’ (BMI) en het ‘International Business Machines’ (IBM). Dit initiatief werd destijds genomen om de hersenen van zoogdieren te stimuleren met een hoog niveau van biologische nauwkeurigheid en om de stappen te onderzoeken die betrokken zijn bij de verschijning van biologische intelligentie door gebruik te maken van de Blue Gene/L-supercomputer van het IBM.

Het ‘Blue Brain Project’ werd gelanceerd in juli 2005 door het ‘Brain Mind Institute’ (BMI) en het ‘International Business Machines’ (IBM). Dit initiatief werd destijds genomen om de hersenen van zoogdieren te stimuleren met een hoog niveau van biologische nauwkeurigheid en om de stappen te onderzoeken die betrokken zijn bij de verschijning van biologische intelligentie door gebruik te maken van de Blue Gene/L-supercomputer van het IBM.

Lineare intelligentie

Kunstmatige intelligentie en de meest geavanceerde computer neurowetenschappen zijn methoden die vaak gebruikt zijn om de hersenfunctie in kaart te brengen. Deze benaderingen stellen het systeem in staat om automatisch ‘als…dan’-regels te verkrijgen. Ongeacht de complexiteit van een dergelijke operatie is de kwaliteit hetzelfde gedurende elke fase van de berekening waardoor deze beschouwd kan worden als ‘lineaire intelligentie’.

Vanuit een biologisch perspectief kunnen kwantumsprongen geïndiceerd worden in de ‘kwaliteit’ van intelligentie tussen verschillende niveaus van een organisme. Net zoals dat moleculen niet begrepen kunnen worden door louter onderzoek naar atomen, kan het brein niet begrepen worden door louter onderzoek te doen naar zijn fysieke structuren.

De ontwikkeling van hersenmodellen

In 1952 werd het succesvolle model van ionstromen geïntroduceerd door Hodgkin en Huxley. Dit model zorgde ervoor dat stimulaties van actiepotentialen konden worden gegenereerd. Deze stimulaties openbaarden het opkomende gedrag van ionkanalen en hoe zij aanleiding geven tot de generatie van een actiepotentiaal.

Wilfred Rall ontwikkelde de kabeltheorie van neuronen. Hij realiseerde zich dat de complexiteit van dendrieten- en axonen-‘aborizations’ van neuronen neuronale verwerking zou beïnvloeden. Zijn werk is fundamenteel geweest om verschillende concepten te begrijpen zoals synaptische transmissie, integratie en plasticiteit, de significantie van de dichtheid van ionkanalen en de verdelen in dendrieten.

De volgende stap was om neuronen te stimuleren die zich in microcircuits in de lokale circuits van hersenregio’s bevinden en in microcircuits in het gehele bruin. Deze stap werd gestart door Hodgkin en Huxley. Zij activeerden eigenschappen in ‘Rall type’ neuronale modellen om realistische microcircuits te stimuleren die realistische neurale operaties verrichten, zoals feedback en laterale inhibitie.

Roger Traub en collega’s begonnen met het stimuleren van de hippocampale circuits. Dit model heeft inzicht gegeven in de neurale eigenschappen die ten grondslag liggen van diverse corticale circuits operaties zoals gamma oscillaties en epileptische aanvallen.

Bovenstaande studies toonden aan dat stimulatie van multineuronale circuits mogelijk is. Daarnaast gaven zij waardevolle inzicht in corticale netwerk eigenschappen. Een vraag die hierbij gesteld kan worden is: waarom gebruiken we deze berekende power niet om corticale circuits te stimuleren binnen kunstmatige neurale netwerken, waarbij het gehele neuron gepresenteerd is door elk sommeerknooppunt met connectiviteit, vereenvoudigd door wederzijdse interacties tussen alle knopen, en functionele eigenschappen vereenvoudigd als ‘geïntegreerde en vuur’-types van activiteit? Het antwoord is dat zulke stimulaties de biologische realiteit missen en biologische interpretatie zouden limiteren. Een nieuwe benadering betrekt een kwantumsprong op het niveau van biologische nauwkeurigheid van hersenmodellen.

Het modeleren van een neuronale kolom

Het Blue Brain Project had als doel om accurate modellen van het brein van zoogdieren te bouwen. De eerste fase van dit project was om model te bouwen van de somatosensorische neocortex van een twee weken oude rat op cellulair niveau, overeenkomend met de dimensie van de neocorticale kolom (NCC).

De combinatie van infrarood differentiële interferentie microscopie in hersenplakken en het gebruik van ‘multi neuron patch clamping’ kon een systematische kwantificatie van moleculaire, morfologische en elektrische eigenschappen van verschillende neuronen en hun synaptische paden worden bewerkstelligd. Dit resulteerde in een accuratie reconstructie van de kolom die is opgesteld door het ontwikkelen van de ‘multi-neuron patch-clamp benadering’. Hierbij werden opnames gemaakt van duizenden neocorticale neuronen en hun synaptische connecties. De reden om dit te doen was om kwantitatieve benaderingen te ontwikkelen die een compleet numerieke uitsplitsing van elementaire stukken van de NCC mogelijk maakten.

De opnames zijn hoofdzakelijk gemaakt van de somatosensorische cortex van een 14 tot 16 dagen oude rat, omdat hoog kwantitatieve date beschikbaar waren voor ratten van deze leeftijd. Daarnaast biedt een rat een spectrum van moleculaire benaderingen waarmee het corticale circuits geëxploreerd kan worden. Een nadeel is dat ratten klein zijn, waardoor gedetailleerde dendritische opnamen niet gemaakt kunnen worden die belangrijk zijn voor het moduleren van non-lineaire eigenschappen van dendritische takken van piramidale cellen. Aangezien de onderzochte ratten jong waren kon de maturatie en het verouderen van de NCC mooi in kaart worden gebracht. Als de NCC meer gespecialiseerd is, is het lastiger om generalisatie naar andere neocorticale regio’s te mogelijk maken.

Kortom: de jonge sensorische kolom, één van de meest eenvoudige en meest toegankelijke, was een ideaal startpunt om de maturatie van de kolom in kaart te brengen en om op deze manier de evolutie van de neocortex te bestuderen.

Synaptische connecties werden gemoduleerd van fysiologische opnamen die synaptische biofysica en dynamiek verschaffen. Synaptische plasticiteit regels werden lokaal en globaal geïmplementeerd om adaptatie van de NCC in kaart te brengen.

De data manipulatie cascade

Software applicaties en data manipulatie zijn nodig om het brein met biologische nauwkeurigheid te moduleren. Experimentele resultaten die elementaire bouwstenen van het microcircuit verstrekken zijn opgeslagen in een database. Voordat de driedimensionale neuronen elektrisch gemoduleerd worden, wordt de morfologie ontleed om eventuele fouten te ontdekken. Daarnaast dienen eerst aborizations gerepareerd te worden die zijn beschadigd tijdens de preparatie van de hersenplakken.

De morfologische statistiek voor een groep neuronen wordt gebruikt om meerdere kopieën van neuronen na te maken om op deze manier volledige morfologische diversiteit te genereren. Daarna wordt een spectrum van ionkanalen ingebracht en worden geleidingen en verdelingen veranderd om te passen bij de elektrische eigenschappen van de neuron en om de uniciteit van neuronen te waarborgen.

Daarna wordt een circuitbouwer gebruikt om neuronen binnen de driedimensionale kolom te plaatsen om axodendritische collusies uit te voeren en worden structurele en functionele statistiek van synaptische connectiviteit gebruikt om een fractie van axo-dendritische delen om te zetten in synapsen. De circuitconfiguratie wordt gelezen door NEURON, waarin elk gemoduleerd neuron wordt omgeroepen. Ook worden de duizenden synapsen ingevoegd op beschikbare cellulaire locaties. Het circuit kan vervolgens worden ingevoegd in een hersendeel. Een externe bouwer wordt gebruikt om de stimulus op te zetten en condities op te nemen.

Neuronen worden in kaart gebracht op processors, met een groot aantal neuronen per processor. De output wordt gevisualiseerd, geanalyseerd en/of gevoed door ‘real-time’ algoritmes voor de feedbackstimulatie. De stimulatie van de NCC behelst ook het vaatstelsel en het glianetwerk.

Limitaties

Eén belangrijke limitatie van het gebruik van digitale computers in de stimulatie van biologische processen is de extreme temporale en spatiële resolutatie die zijn vereist door sommige biologische processen. Ook vormen de gebruikte algoritmes die gebruikt worden om biologische processen te moduleren een limitatie. De vraag blijft of stimulatie van het hele brein überhaupt mogelijk is. Het lijkt dat de computationele power moet toenemen voordat we i staat zijn om het gehele menselijke brein te stimuleren.

NCC als kader

De productie van de template NCC biedt een kader alsmede de toepassingen voor onderzoekers om gedetailleerde circuits te bouwen van verschillende regio’s van het brein. De tweede fase van het Blue Brain Project zal deze applicaties openen naar de gemeenschap om globale en spontane inspanning mogelijk te maken om software modellen van het brein te bouwen.