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Superhirn im Supercomputer Jülich und Riken simulieren 10,4 Billionen Synapsen

| Redakteur: Ulrike Ostler

Wissenschaftler aus Japan und Jülich haben ein neuronales Netzwerk bisher unerreichter Komplexität simuliert. Das zugrunde liegende Modell bildet statistisch die Verschaltung des menschlichen Nervensystems nach.

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Power für eine Sekunde Gehirnaktivität, der japanische Supercomputer K, der aktuell viertschnellste Superrechner der Welt.
Power für eine Sekunde Gehirnaktivität, der japanische Supercomputer K, der aktuell viertschnellste Superrechner der Welt.
(Bild: Riken)

Das neuronale Netz umfasst 1,73 Milliarden Nervenzellen, die über insgesamt 10,4 Billionen Kontaktstellen miteinander verbunden sind. Damit stellt die Simulation die biologische Aktivität der Nervenzellen innerhalb einer Sekunde nach. Jede Zelle ist in dieser Zeit – in Übereinstimmung mit dem Aktivitätslevel des menschlichen Gehirns – im Schnitt 4,4-mal aktiv.

Die Forscher nutzten für die Simulation erstmals alle 82.944 Prozessoren des „K“ Supercomputers, des aktuell viertschnellsten Superrechners der Welt, für eine derartige neurowissenschaftliche Berechnung. Der im japanischen Kōbe installierte Supercomputer K benötigte für die Berechnung 40 Minuten.

Insgesamt belegte die Berechnung rund 1 Petabyte Speicherplatz, ähnlich viel, wie der Arbeitsspeicher von 250.000 PCs. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, der japanischen Riken Forschungsinstitute in Wako-shi und Kobe (AICS) und des Okinawa-Instituts für Technologie (OIST) hatten die Simulation durch die Entwicklung neuer Datenstrukturen für die verwendete Simulationssoftware „Nest“ überhaupt erst möglich gemacht.

Für 1 Prozent des Gehirns ...

Professor Markus Diesmann vom Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-6) erläutert: „Das neuronale Netzwerk, das wir berechnet haben, entspricht trotz seiner enormen Größe gerade einmal einem Prozent des gesamten menschlichen Gehirns.“

Die Nervenzellen wurden zufällig miteinander verknüpft, so dass sich noch keine neuen neurowissenschaftlichen Erkenntnisse ableiten lassen. „Dennoch ist die Simulation eine richtungsweisende Vorarbeit, beispielsweise für das Human Brain Project. Sie zeigt, was heute technologisch möglich ist und wo die Grenzen liegen“, führt Diesmann aus.

Wissenschaftler versprechen sich von der Simulation der Hirnaktivität neue Erkenntnisse zu hochkomplexen Fragen, etwa zu den Ursachen neurodegenerativer Erkrankungen wie Parkinson oder Demenz. Das europäische „Human Brain Project“, an dem das Forschungszentrum Jülich maßgeblich beteiligt ist, zielt darauf ab, das komplette Gehirn auf dem Computer zu simulieren. Dafür werden gigantische Rechenkapazitäten benötigt, wie sie erst die nächsten Rechnergenerationen mit „Exascale-Leistung“ erbringen können.

Neuer Maßstab in punkto Genauigkeit

Gebäude des Riken Advanced Institute for Computational Science (AICS) und Standort des K-Supercmputers..
Gebäude des Riken Advanced Institute for Computational Science (AICS) und Standort des K-Supercmputers..
(Bild: Riken)
Denn bisher lässt sich die Hirnaktivität nur sehr stark vereinfacht auf Computern abbilden. Das nun zu Testzwecken erstellte Modell setzt nicht nur durch seine reine Größe, sondern auch aufgrund der Genauigkeit der mathematischen Beschreibung neue Maßstäbe.

„Mit 24 Byte für jede Synapse zwischen den erregenden Nervenzellen lassen sich die biologischen Vorgänge sehr genau abbilden. Man könnte so beispielsweise feststellen, wie sich die Eigenschaften dieser Verbindungen zwischen den Nervenzellen ändern, wenn das Gehirn etwas Neues lernt“, fügt die Jülicher Neurowissenschaftlerin Professor Abigail Morrison hinzu, die das Projekt gemeinsam mit Diesmann leitet.

Das Nest in K

Die optimierte Simulationstechnologie wird künftig unter anderem bei der Erforschung der neuronalen Grundlagen der Bewegungssteuerung und den Ursachen der Parkinson-Krankheit am japanischen Forschungsinstitut OIST eingesetzt. Die Ergebnisse zeigten, dass Anwendungen aus den Neurowissenschaften die Leistung aktueller Petascale-Rechner voll ausschöpfen könnten.

Die Berechnung des neuronalen Netzwerkes wurde mit einer neuen Version der Software Nest durchgeführt, die Wissenschaftler weltweit frei verwenden können und in ihrer Forschung einsetzen. Bei den Vorbereitungen war besonders der Zugang zu Jülichs Superrechnern „Jugene“ und seinem Nachfolger „Juqueen“ entscheidend, um die Software entwickeln und die Resultate gegenchecken zu können“, setzt Professor Shin Ishii hinzu, Leiter des Brain und Neural Systems Team. Gemeinsam mit Diesmann hatte er das Projekt 2009 am Riken-Institut initiiert.

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