Blauwe Hersenen: een reconstructie van de hersenen

oktober 30, 2019
Het ambitieuze Zwitserse project bekend als Blauwe Hersenen, probeert om het meest gedetailleerde digitale model van de architectuur en van de werking van de hersenen te maken.

In dit artikel gaan we het hebben over een project met de naam “Blauwe Hersenen.”Astrofysici kijken buiten onze planeet om te ontdekken hoe de ruimte werkt. Op dezelfde manier kijken neurowetenschappers binnenin het menselijk lichaam om de hersenen te ontrafelen.

Een dergelijk ambitieus doel, al jarenlang een gemeenschappelijk streven van wetenschappers, is nu een feitelijk onderzoeksproject. Het initiatief kreeg de naam Project Blauwe hersenen en werd in 2005 gecreëerd door de Zwitserse professor Henry Markram.

Blauwe Hersenen: de digitale kaart van de hersenen

Het is heel typisch voor mensen om kaarten te maken. Op die manier geven ze namelijk onderzoeksbevindingen of kennis in het algemeen weer. Dat is eigenlijk hoe informatie van de ene generatie op de andere overgebracht wordt.

De kaarten van de Nieuwe Wereld waren een voorstelling van de paden en de wegen van een volledig nieuw continent. Op dezelfde manier heeft ook het Project Blauwe Hersenen als doel een digitale kaart te maken.

Die kaart reconstrueert op de meest precieze manier die tot op vandaag bekend is, de neurale wegen van de menselijke hersenen en hoe ze te werk gaan. De kaart zou wetenschappers bovendien toelaten om zelfs de meest verafgelegen hoeken van dit orgaan te onderzoeken.

Om een exacte voorstelling te verkrijgen van de architectuur en de functionele dynamiek van de menselijke hersenen, gebruikt dit initiatief de reconstructie van de hersenen van knaagdieren als uitgangspunt.

In mei 2005 begon het Brain Mind Institute van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPLF) de structuur en de functies van de hersenen op een biologisch gedetailleerde manier te reconstrueren.

De techniek die ze gebruikten, wordt omgekeerde engineering genoemd. Die zorgt er dus voor dat het project voornamelijk bestaat uit simulaties en voorstellingen van de hersenen.

De onderzoekers kozen de hersenen van een knaagdier als een representatieve basis voor de menselijke hersenen (die uiteraard veel complexer zijn).  Dit had namelijk te maken met de gelijkenissen, op een ander circuitniveau, met de hersenen van zoogdieren.

De technologie achter dit initiatief gebruikt ook een Blue Gene-supercomputer die de NEURON-software laat werken.

De geschiedenis van het project Blauwe Hersenen

Andere verwante projecten

Het empirische fundament van het project en het model dat gebruikt wordt voor deze basis, is een verbindingskaart van de hersenneuronen.  Deze kaart noemt men connectoom.

Dit model bevat een realistische simulatie van de hersenneuronen. Wetenschappers hopen zodoende dat het een complete encyclopedie van de hersenen en van het mysterie van de geest wordt.

Uiteraard zou een project van die omvang nauwelijks overleven zonder internationale medewerkers. Dat is ook de reden dat er andere projecten opgestart zijn om specifiek Blauwe Hersenen te ondersteunen. Hierbij horen:

  • Cajal Blue Brain Project. Dit project wordt gecoördineerd door CeSViMa (het Supercomputing and Visualization Center of Madrid).
  • Het Joshua Blue Project van IBM. Dit project heeft als doel computers voor artificiële intelligentie en software die de menselijke geest nabootsen, te bouwen.
  • Het HBP of het Human Brain Project. Veel Europese universiteiten dragen met hun eigen wetenschappelijke en computerinspanningen ook bij tot Blauwe Hersenen om de menselijke hersenen te onderzoeken.

Wat is het verschil tussen het project Blauwe Hersenen en andere gelijksoortige projecten?

Supercomputing maakt het mogelijk voor Blauwe Hersenen om reconstructies en simulaties voor te stellen. Dit is een radicaal nieuwe aanpak om de hersenactiviteit te begrijpen.

Men benadert het namelijk als een structuur van meerdere niveaus. Daarom maakt deze “gelaagde” structuur ruimte voor de functionele verscheidenheid en de oneindige complexiteit van de geest.

Dit perspectief maakt één van de moeilijkst haalbare wetenschappelijke uitdagingen mogelijk waarvoor de hedendaagse wetenschap staat: de hersenen begrijpen als een complex systeem met meervoudige schalen. Voor deze taak is dit soort neurowetenschap van simulatie dus fundamenteel.

Wat is dan het verrassende detail waarmee neuronaal modelleren in dit project werkt? Uiteindelijk zal het de constructie van een hersensimulatie op moleculair niveau inhouden. Dan zou het deuren openen tot nieuwe onderzoeken van de genexpressie en ten slotte ook zorgen voor ongekende klinische voordelen.

Een korte geschiedenis van het project

  • 2005. Het eerste cellulaire model werd afgerond.
  • 2008. Men bouwde de eerste kunstmatige cellulaire neocorticale kolom van 10 000 cellen.
  • 2011. Het Project Blauwe Hersenen bouwt een model dat het aantal kolommen van het eerdere model met 100 vermenigvuldigt. Men bereikt dan een totaal van één miljoen cellen.
  • 2014. De officiële reconstructie van de cellulaire hersenen van een rat.
  • 2023. Tegen dat jaar verwacht het Project Blauwe Hersenen de volledige reconstructie van de menselijke hersenen te hebben met een totaal van 100 miljard cellen.
Waarom zoveel inspanning

Waarom zoveel inspanningen?

Een dergelijke diepgaande kennis van de hersenen zou bijvoorbeeld klinische voordelen met zich meebrengen. Bovendien is er ook een ultiem doel dat veel mysterieuzer is dan het sociale denkbeeldige.

Door de ingewikkelde verbinding tussen de hersendelen te ontrafelen zouden wetenschappers eindelijk een niet-theoretische kennis kunnen verwerven van het menselijke bewustzijn. Dit is een opdracht waaraan vele wetenschappers en denkers in de geschiedenis van de mensheid hun hele leven gewijd hebben.

Voorlopig en als een voorbode van de verbazingwekkende bevindingen die komen, heeft het Project Blauwe Hersenen vorig jaar zijn eerste digitale neurale atlas in 3D uitgegeven. Het verschaft informatie in de diepte over de soorten hersencellen, over hoeveel er zijn en over hun positie in het geheel van de 737 hersengebieden.

De stap van de klassieke handleiding in neuro-anatomie met eenvoudige tekeningen naar dit soort atlas in 3D is in de geschiedenis van de mensheid één van de grootste stappen in de wetenschap.

  • Schonberg T, Fox CR, Poldrack RA (2011) Mind the gap: bridging economic and naturalistic risk-taking with cognitive neuroscience. Trends Cogn Sci 15: 11–19.
  • Vorhold V (2008) The neuronal substrate of risky choice: an insight into the contributions of neuroimaging to the understanding of theories on decision making under risk. Ann N Y Acad Sci 1128: 41–52.