Forschungszentrum Jülich – Forschen in Jülich 2_2013

112|2013 Forschen in Jülich Das Geben und Nehmen zwischen Neurowissen- schaftlern und IT-Fachleuten ist übrigens ausgewo- gen. So nutzen die Mediziner die Superrechner, um das Gehirn besser zu verstehen. Die Experten des Jülich Supercomputing Centre (JSC) profitieren aber auch von den neuen Erkenntnissen über das Gehirn. Beispiel Energieeffizienz: Während große Rechenzen- tren einen hohen Stromverbrauch aufweisen, arbei- tet das Gehirn mit dem Energieverbrauch einer schwachen Glühlampe. Weiterhin toleriert das menschliche Gehirn viel mehr Fehler als ein Super- rechner: Obwohl Nervenzellen im Laufe des Lebens zugrunde gehen, funktioniert das Gehirn bei gesun- den Menschen trotzdem weiter. Bei den Supercom- putern sieht dies anders aus. Tauchen Fehler bei ei- nem Prozessor auf, schalten sich möglicherweise 100.000 andere ab. Deshalb dient den Jülicher IT- Spezialisten das Gehirn als Vorbild. „Die Erkenntnis- se über die Funktion des Gehirns können zu neuen Wegen in der Datenverarbeitung inspirieren und kon- kret in die Entwicklung neuer Rechnergenerationen einfließen“, sagt Prof. Thomas Lippert, Direktor des JSC. Ein kreativer Denkraum für solche neuen Rechn- erarchitekturen ist beispielsweise das Simulation La- boratory „Neuroscience“, geleitet von der Physikerin und Neurowissenschaftlerin Prof. Abigail Morrison. „Hier arbeiten unsere Computerexperten eng mit den neurowissenschaftlichen Kolleginnen und Kollegen zusammen. Sie unterstützen sie darin, medizinische Fragen so zu übersetzen, dass der Computer sie rechnen kann, und lernen dabei immer mehr über das ausgeklügelte Informationsnetzwerk Gehirn.“ :: TITELTHEMA | Human Brain Modelling Gehirn als Vorbild nutzen Simulation live in 3-D Um die rund 90 Milliarden Nervenzellen des menschlichen Gehirns künftig abbilden zu können, muss der Höchstleistungscomputer der nächsten Generation eine tausendfach höhere Rechenleis- tung als die heutigen Supercomputer erbringen, ei- ne hohe Speicherkapazität und große Speicher- bandbreite besitzen. Gleichzeitig sind neuartige Simulationstechniken nötig, um diese Rechenleis- tung überhaupt nutzen zu können – eine Aufgabe, die von der Arbeitsgruppe „Computational Neuro- physics“ um Prof. Markus Diesmann vorangetrieben wird. Hinzu kommen völlig neue inhaltliche Heraus- forderungen, wie Dr. Boris Orth vom Jülich Super- computing Centre aus seiner täglichen Zusammen- arbeit mit den neurowissenschaftlichen Teams weiß. „Bisher laufen auf unseren Rechnern Simula- tionen, die die Struktur und Arbeitsweise des Ge- hirns in einzelnen Teilgebieten abbilden“, erläutert Boris Orth. Ob Faserbahnverläufe, molekulare Me- chanismen oder Spike-Aktivitäten: Die Superrech- ner simulieren klar eingegrenzte Aufgaben. Die Zukunft gehört jedoch dem „Interaktiven Supercomputing“, in das das komplette Wissen einfließt – ganz gleich, ob Moleküle miteinander agieren, einzelne Hirnareale kommunizieren oder das ganze Gehirn aktiv ist. „Star Trek“ lässt grü- ßen: In einigen Jahren wollen Forscher in einer Art „Mission Control Center“ auf riesigen Displays „live“ in 3-D den Ablauf der Rechenoperationen im virtuellen Gehirn verfolgen. „Die riesige Heraus- forderung besteht zum einen darin, die Daten der unterschiedlichsten Ebenen in eine einzige Simu- lation zu integrieren“, erklärt Boris Orth. Zum an- deren müssten Simulation und Visualisierung gleichzeitig stattfinden. Die Vorteile liegen auf der Hand: Während der laufenden Simulation könnten die Forscher wie mit einem Teleskop in bestimmte Areale oder sogar auf die molekulare Ebene zoo- men, um dort gegebenenfalls Simulationseinstel- lungen zu verändern. Damit könnte die Wirkung von Medikamenten und anderen therapeutischen Anwendungen wie etwa der Neurostimulation un- mittelbar im Gehirn beobachtet und überprüft werden – ein Meilenstein für therapeutische Ent- wicklungen und für Hirnforscher wie der erste Schritt auf dem Mond. :: Thomas Lippert, Physiker Boris Orth, Physiker Ilse Trautwein JSC

Forschungszentrum Jülich – Forschen in Jülich 2_2013

Pages