Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Problematische Beziehung: Kleine Hirnmodelle geben Kontaktintensität zwischen Neuronen verzerrt wider

08.09.2015

Die Simulation von Hirnfunktionen mit Supercomputern soll dazu beitragen, die Abläufe in unserem Gehirn zu verstehen. Diese Aufgabe ist gigantisch: Schätzungsweise 100 Milliarden Nervenzellen müssen in ihrer Aktivität abgebildet werden. Eine bisher unlösbare Aufgabe, da selbst die leistungsstärksten Rechner der Welt aufgrund ihrer Speicherkapazität momentan gerade ein Prozent davon simulieren können.

Wissenschaftler behelfen sich daher mit verkleinerten Modellen. Doch das so genannte "Downscaling" ist problematisch, wie eine aktuelle Jülicher Forschungsstudie zeigt, die in PLOS Computational Biology (11(9): e1004490) veröffentlicht wurde.


Netzwerk-Modell: Neuronen mit stark synchroner Aktivität haben eine hohe Korrelation, während Neuronen mit unkoordinierter Aktivität schwach korreliert sind.

Copyright: Forschungszentrum Jülich

"Die Herausforderung der Hirnsimulation besteht darin, dass die Nervenzellen je nach anstehender Aufgabe eine zeitlich begrenzte Beziehung mit anderen Neuronen eingehen", erläutert Prof. Dr. Markus Diesmann, Direktor des Jülicher Instituts "Computational and Systems Neuroscience" (INM-6). Jede Nervenzelle ist im Schnitt mit 10.000 anderen Neuronen vernetzt, die ihre Aktivität unterschiedlich stark untereinander synchronisieren. Die Intensität der Beziehung von Neuronen - Korrelation genannt – variiert, je nach Aufgabe und beteiligten Hirnarealen. Wie Dr. Sacha van Albada, wissenschaftliche Mitarbeiterin von Markus Diesmann, Dr. Moritz Helias, Leiter der Arbeitsgruppe "Theory of Multi-Scale Neuronal Networks", und Diesmann mit mathematischen Methoden nun nachwiesen, kann diese Beziehungsgröße nicht korrekt erhalten werden, wenn im Hirnmodell die Anzahl der Neuronenkontakte unter einer bestimmten Grenze liegt. Korrelationen sind aber die Grundlage häufig genutzter, im Gehirn messbarer Signale wie dem EEG und dem lokalen Feldpotential (LFP).

Jede Nervenzelle hat um die 10.000 Kontaktstellen, über die sie kommuniziert

Der Informationsfluss im menschlichen Gehirn ist äußert komplex. Nervenzellen tauschen Informationen in Form von elektrischen Signalen untereinander über sogenannte Synapsen aus. Jede einzelne Nervenzelle hat etwa 10.000 solcher Kontaktstellen, mit denen sie mit anderen Neuronen kommuniziert. Ähnlich wie das Autobahnnetz nicht festlegt, welches Auto wohin fahren wird, wählen die Daten im Gehirn je nach Aufgabe unterschiedliche Wege und Ausfahrten. Computer der jetzigen Generation können diese gigantische Informationsmenge nicht verarbeiten und speichern. In vielen Hirnmodellen wird die Synapsenzahl daher verringert, um den Speicherverbrauch zu reduzieren.

Die detailgetreue Simulation des menschlichen Gehirns ist Ziel des Human Brain Projects (HBP)

Doch die detailgetreue Simulation des kompletten menschlichen Gehirns auf einem Supercomputer der Zukunft bleibt das Ziel eines wissenschaftlichen Großprojekts. Im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten "Human Brain Projects" (HBP) arbeiten Neurowissenschaftler und Physiker wie Markus Diesmann gemeinsam mit Informatikern, Medizinern und Mathematikern aus über 80 europäischen und internationalen wissenschaftlichen Einrichtungen zusammen. "Unsere aktuelle Forschungsarbeit zeigt einmal mehr: An der Simulation von Hirnschaltkreisen in ihrer vollen Größe führt kein Weg vorbei, wenn wir fundierte Erkenntnisse gewinnen möchten", so Diesmann.

Zu den herausforderndsten Aufgaben im Human Brain Project gehört die Entwicklung neuer Höchstleistungsrechner. Auch hier sind Jülicher Wissenschaftler federführend beteiligt: Das Jülicher Supercomputing Centre (JSC) entwickelt Exascale-Rechner, um die komplexen Simulationen im Human Brain Project durchführen zu können. Hierfür wird eine Rechenleistung benötigt, die um den Faktor 100 höher ist als die der heutigen Höchstleistungsrechner. Markus Diesmann arbeitet mit Kolleginnen und Kollegen parallel daran, die Simulationssoftware für die neue Rechnergeneration weiterzuentwickeln. Dies erfolgt im Rahmen des Jülicher Instituts "Theoretical Neuroscience" (IAS-6) und der Neural Simulation Technology Initiative, welche die Software NEST über das Internet frei zur Verfügung stellt.

Originalpublikation:

Scalability of Asynchronous Networks Is Limited by One-to-One Mapping between Effective Connectivity and Correlations
van Albada SJ, Helias M, Diesmann M.
PLoS Comput Biol. 2015 Sep 1;11(9):e1004490. doi: 10.1371/journal.pcbi.1004490
Article (Open Access): http://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1004490#

Weitere Informationen:
Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Computational and Systems Neuroscience (INM-6) & Theoretical Neuroscience (IAS-6): http://www.fz-juelich.de/inm/inm-6/EN/Home/home_node_INM6.html
Human Brain Project: http://www.humanbrainproject.eu
Neural Simulation Technology Initiative: http://www.nest-initiative.org

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Markus Diesmann, Leiter des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin,
Computational and Systems Neuroscience (INM-6) & Theoretical Neuroscience (IAS-6)
Tel. +49 2461 61-9301
E-Mail: m.diesmann@fz-juelich.de

Dr. Sacha van Albada, Institut für Neurowissenschaften und Medizin,
Computational and Systems Neuroscience (INM-6) & Theoretical Neuroscience (IAS-6)
Tel. +49 2461 61-1944
E-Mail: s.van.albada@fz-juelich.de

Dr. Moritz Helias, Institut für Neurowissenschaften und Medizin,
Computational and Systems Neuroscience (INM-6) & Theoretical Neuroscience (IAS-6)
Tel. +49 2461 61-9467
E-Mail: m.helias@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Tobias Schlößer
Unternehmenskommunikation
Tel. +49 2461 61-4771
E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de

Tobias Schlößer | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pestizide erhöhen Risiko für Tropenkrankheit Schistosomiasis / Belastete Gewässer fördern Zwischenwirt des Erregers
27.02.2020 | Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

nachricht Haltbar und frisch - Neutronen zeigen Details des Prozesses der Gefriertrocknung
27.02.2020 | Technische Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wissenschaftler beleuchten aktuellen Stand der Anwendung des Maschinenlernens bei Forschung an aktiven Materialien

Verfahren des Maschinenlernens haben durch die Verfügbarkeit von enormen Datenmengen in den vergangenen Jahren einen großen Zuwachs an Anwendungen in vielen Gebieten erfahren: vom Klassifizieren von Objekten, über die Analyse von Zeitreihen bis hin zur Kontrolle von Computerspielen und Fahrzeugen. In einem aktuellen Review in der Zeitschrift „Nature Machine Intelligence“ beleuchten Autoren der Universitäten Leipzig und Göteborg den aktuellen Stand der Anwendung und Anwendungsmöglichkeiten des Maschinenlernens im Bereich der Forschung an aktiven Materialien.

Als aktive Materialien bezeichnet man Systeme, die durch die Umwandlung von Energie angetrieben werden. Bestes Beispiel für aktive Materialien sind biologische...

Im Focus: Computersimulationen stellen bildlich dar, wie DNA erkannt wird, um Zellen in Stammzellen umzuwandeln

Forscher des Hubrecht-Instituts (KNAW - Niederlande) und des Max-Planck-Instituts in Münster haben entdeckt, wie ein essentielles Protein bei der Umwandlung von normalen adulten humanen Zellen in Stammzellen zur Aktivierung der genomischen DNA beiträgt. Ihre Ergebnisse werden im „Biophysical Journal“ veröffentlicht.

Die Identität einer Zelle wird dadurch bestimmt, ob die DNA zu einem beliebigen Zeitpunkt „gelesen“ oder „nicht gelesen“ wird. Die Signalisierung in der Zelle,...

Im Focus: Bayreuther Hochdruck-Forscher entdecken vielversprechendes Material für Informationstechnologien

Forscher der Universität Bayreuth haben ein ungewöhnliches Material entdeckt: Bei einer Abkühlung auf zwei Grad Celsius ändern sich seine Kristallstruktur und seine elektronischen Eigenschaften abrupt und signifikant. In diesem neuen Zustand lassen sich die Abstände zwischen Eisenatomen mithilfe von Lichtstrahlen gezielt verändern. Daraus ergeben sich hochinteressante Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Informationstechnologien. In der Zeitschrift „Angewandte Chemie – International Edition“ stellen die Wissenschaftler ihre Entdeckung vor. Die neuen Erkenntnisse sind aus einer engen Zusammenarbeit mit Partnereinrichtungen in Augsburg, Dresden, Hamburg und Moskau hervorgegangen.

Bei dem ungewöhnlichen Material handelt es sich um ein Eisenoxid mit der Zusammensetzung Fe₅O₆. In einem Hochdrucklabor des Bayerischen Geoinstituts (BGI),...

Im Focus: Von China an den Südpol: Mit vereinten Kräften dem Rätsel der Neutrinomassen auf der Spur

Studie von Mainzer Physikern zeigt: Experimente der nächsten Generation versprechen Antworten auf eine der aktuellsten Fragen der Neutrinophysik

Eine der spannendsten Herausforderungen der modernen Physik ist die Ordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen. Eine aktuelle Studie, an der Physiker des...

Im Focus: High-pressure scientists in Bayreuth discover promising material for information technology

Researchers at the University of Bayreuth have discovered an unusual material: When cooled down to two degrees Celsius, its crystal structure and electronic properties change abruptly and significantly. In this new state, the distances between iron atoms can be tailored with the help of light beams. This opens up intriguing possibilities for application in the field of information technology. The scientists have presented their discovery in the journal "Angewandte Chemie - International Edition". The new findings are the result of close cooperation with partnering facilities in Augsburg, Dresden, Hamburg, and Moscow.

The material is an unusual form of iron oxide with the formula Fe₅O₆. The researchers produced it at a pressure of 15 gigapascals in a high-pressure laboratory...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

CLIMATE2020 – Weltweite Online-Klimakonferenz vom 23. bis 30. März 2020

26.02.2020 | Veranstaltungen

Automatisierung im Dienst des Menschen

25.02.2020 | Veranstaltungen

Genomforschung für den Artenschutz - Internationale Fachtagung in Frankfurt

25.02.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Bonner Mediziner etablieren weltweit neues, leicht tragbares Ultraschallsystem aus den USA für die Lehre am Krankenbett

27.02.2020 | Medizintechnik

Gegen multiresistente Tuberkulose-Erreger: Mit künstlicher Intelligenz neuen Wirkstoffkombinationen auf der Spur

27.02.2020 | Medizin Gesundheit

Mikro-Überlebenskünstler: Archaeen bewältigen biologische Methanisierung trotz Asche und Teer

27.02.2020 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics