Wissenschaftler haben mit Hilfe des Supercomputers Fugaku, eines der leistungsstärksten Rechenzentren der Welt, das realistischste virtuelle Gehirn eines Tieres bisher entwickelt: eine detaillierte Simulation der gesamten Maus-Kortexregion. Das Modell umfasst nahezu zehn Millionen Neuronen, 26 Milliarden Synapsen und 86 miteinander verbundene Hirnareale, wobei strukturelle und funktionelle Eigenschaften auf hochauflösender Ebene nachgebildet wurden. Die Simulation ermöglicht es Forschern, neurologische Erkrankungen wie Alzheimer oder Epilepsie in einer digitalen Umgebung zu untersuchen, die Bewegung von Schäden durch neuronale Schaltkreise zu verfolgen und Prozesse der Wahrnehmung, Aufmerksamkeit und sogar Bewusstsein zu analysieren. Bisher waren solche Studien auf teure, zeitaufwändige Experimente mit echtem Gewebe beschränkt. Nun können Tausende von Szenarien in der virtuellen Welt getestet werden – mit potenziell frühen Hinweisen auf Krankheitsentstehung und sicheren Tests von Therapien. Die Arbeit wurde von einem internationalen Konsortium unter Leitung des Allen Institute und Tadashi Yamazaki von der Universität für Elektro- und Kommunikationstechnik in Japan koordiniert, in Zusammenarbeit mit drei weiteren japanischen Institutionen. Die biologischen Grundlagen stammten aus dem Allen Cell Types Database und dem Allen Connectivity Atlas, die präzise Daten über Neuronenform, -typen und Verbindungen liefern. Diese Daten wurden mit dem Brain Modeling ToolKit des Allen Institute in ein funktionierendes digitales Modell umgewandelt. Die dynamische Aktivität der Neuronen wurde durch das Tool Neulite nachgebildet, das mathematische Gleichungen in spiking, kommunizierende virtuelle Neuronen verwandelt – imitiert elektrische Signale wie im echten Gehirn. Der Supercomputer Fugaku, entwickelt von RIKEN und Fujitsu, lieferte die notwendige Rechenleistung: Mit mehr als 400 Quadrillionen Berechnungen pro Sekunde kann er die komplexe Interaktion von Milliarden neuronalen Elementen simulieren. Das System besteht aus über 158.000 Knoten und ist nach dem Berg Fuji benannt – als Symbol für seine herausragende Leistungsfähigkeit. „Fugaku wird bereits in vielen Bereichen eingesetzt – von der Klimaforschung bis zur Arzneimittelentwicklung“, sagte Yamazaki. „Diesmal nutzen wir es für die Simulation neuronaler Schaltkreise – ein Meilenstein.“ „Dies ist ein technischer Durchbruch“, betonte Anton Arkhipov vom Allen Institute. „Wir zeigen, dass solche umfassenden Gehirnmodelle mit ausreichender Rechenleistung nicht nur möglich, sondern präzise und skalierbar sind.“ Die Forscher sehen nun den Weg frei, von der Simulation einzelner Hirnregionen hin zu vollständigen, biophysikalisch fundierten Modellen der Maus und langfristig sogar des menschlichen Gehirns. Einige Experten sehen in der Arbeit einen Wendepunkt für die Neurowissenschaften: „Wir sind nicht mehr nur Beobachter des Gehirns, sondern können es nun konstruieren“, sagt ein Neuroinformatiker aus der Branche. Die Zusammenarbeit zwischen Biologie und Hochleistungsrechnen öffnet neue Horizonte für die Erforschung von Krankheiten und Bewusstsein. Das Projekt wird auf der SC25, der weltweit führenden Supercomputing-Konferenz im November, ausführlich vorgestellt.