Het uiteindelijke doel van beide projecten is hetzelfde: het totale menselijke brein doorgronden.

De plannen wekken bewondering, verbijstering, maar ook hoongelach. Volgens de Amerikaanse neuroloog Donald Stein is het brein veel te ingewikkeld en veranderlijk om de activiteit van zenuwbanen vast te kunnen leggen. De Britse emeritus hoogleraar biologie Steven Rose schreef twee weken geleden kritisch over de megaprojecten in het tijdschrift EMBO reports. „We hebben eerder een betere theorie over het brein nodig, dan nog meer gegevens.”

Toch heeft de Europese Unie een jaar geleden maar liefst een miljard euro toegekend aan het ambitieuze Human Brain Project. Leider van het programma is Henry Markram, hersenonderzoeker aan de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland. Hij denkt dat het wél kan, een model bouwen van die roze massa van ruim een kilo in onze schedel, waarmee we denken, beslissen, praten, creëren, bewegen, geloven en vrezen. Van alle 100 miljard hersencellen, en hun biljoenen verbindingen met elkaar.

Met zo’n simulatie zouden onderzoekers dingen kunnen doen waar ze nu alleen van dromen. Zonder dat er bloed of injectienaalden aan te pas komen, bekijken wat er gebeurt als je een zenuwbaan weghaalt, of een eiwit toevoegt, bijvoorbeeld. Hersenziektes nabootsen. Behandelingen uitproberen. Met het kunstbrein is het wellicht ook mogelijk virtuele robots in een virtuele omgeving aan te sturen. Zo bestudeer je gedrag zonder dat er dieren met antennes op hun hoofd in kooitjes rondrennen.

Om het modelbrein te kunnen maken wil Markram alle onderzoeksgegevens en kennis die hersenonderzoekers wereldwijd tot nu toe hebben verzameld, samenbrengen en ordenen. In het tijdschrift Nature Reviews Neuroscience (september) benadrukte hij dat samenwerken van het allergrootste belang is. „Wat we nodig hebben is dat we onze ego’s opzij zetten en een nieuwe, collectieve vorm van hersenwetenschap creëren.”

Het Europese geld gaat de komende tien jaar naar de 86 onderzoeksinstituten in 22 landen die meedoen. Het officiële startsein van het project klonk afgelopen oktober, maar het werd begin vorig jaar voor het eerst aangekondigd.

Inderhaast opgetrokken

In antwoord op dit nieuws uit Europa kondigde president Barack Obama vorig jaar april het inderhaast opgetrokken BRAIN Initiative aan. Amerika trekt er om te beginnen 110 miljoen dollar (81 miljoen euro) voor uit. Private instituten leggen daar hetzelfde bedrag bij. Voor de komende tien jaar is in totaal 3 miljard dollar begroot. Die investering moet een overzicht opleveren van de activiteit van alle zenuwnetwerken in het complete brein. Zo hopen onderzoekers te ontdekken wat er gebeurt als we denken, of de ziekte van Alzheimer krijgen.

Een van de trekkers van het Amerikaanse plan is Karl Deisseroth, bio-ingenieur en psychiater aan de Stanford University. Hij vond de optogenetica uit, waarmee hij hersencellen in een levend muizenbrein kan stimuleren met laserlicht. Ook ontwikkelde hij Clarity, dat in april vorig jaar het licht zag. Daarmee kan een onderzoeker een compleet rattenbrein zo doorzichtig als glas maken om zenuwbanen te bestuderen. Dit soort revolutionaire technieken moeten er door het BRAIN Initiative meer komen. Hoog op de Amerikaanse verlanglijst staan gereedschappen op molecuulformaat, bijvoorbeeld nano-elektroden om op veel plekken tegelijk hersenactiviteit te meten.

De laptop waarop dit artikel is geschreven kan pakweg 20 gigaFLOPS aan. Om tot exaflops te komen zouden 50 miljoen van die Macbooks nodig zijn.

Dat Europa en de VS bij de twee grootschalige hersenprojecten zullen samenwerken, ligt voor de hand. De eerste formele samenwerking is er al. Henry Markram en zijn Europese collega’s maken bij het verfijnen van hun modellen gebruik van de zogeheten Allen Brain Atlas, ontwikkeld door het Allen Institute for Brain Science in Seattle. Het zijn driedimensionale kaarten met de activiteit van genen in muizen-, apen- en mensenhersenen. Het project is gestart in 2003 en wordt gefinancierd met honderden miljoenen dollars van Microsoft-medeoprichter Paul Allen.

Exaschaal supercomputer

Een brein simuleren is geen sinecure. Dat weet hersenonderzoeker Henry Markram uit Lausanne als geen ander. Voor zijn Blue Brain Project, de voorloper van het nu gestarte Europese breinproject, bouwde hij een model van een piepklein stukje rattenbrein van 10.000 zenuwcellen. Daar is al de beste supercomputer voor nodig die er vandaag de dag is, BlueGene/P van IBM. Om het complete mensenbrein te kunnen simuleren zijn nog duizend keer krachtiger computers nodig. Een andere belangrijke pijler van het Human Brain Project is dan ook een supercomputer ontwikkelen die extreem snel kan rekenen, en niet te veel energie slurpt. Ook dat is niet eenvoudig. Maar die zogeheten exaschaal-computer zal klaar zijn tegen 2020, verwacht Karlheinz Meier. Hij is hoogleraar Experimentele Fysica aan de Universiteit van Heidelberg, en met Markram een van de drie directeuren van het Human Brain Project.

„Met verschillende centra in Europa, in Zwitserland, Spanje, Italië en Duitsland, willen we een exaschaal-computer bouwen. Dat is een computer die 10 tot de macht 18 operaties per seconde kan doen. Dat is een 1 met 18 nullen er achter”, zegt Meier aan de telefoon vanuit Heidelberg. Om een idee te geven: de laptop waarop dit artikel is geschreven, een Macbook Pro uit 2009, kan pakweg 20 gigaFLOPS aan (Floating-point Operations Per Second). Om tot exaflops te komen zouden 50 miljoen van die Macbooks nodig zijn.

„Zo’n exaschaal-computer vreet energie”, vervolgt Meier. „Met de technologie van vandaag zou die zeker 100 Megawatts verbruiken. Daar is een flink aantal grote windmolens voor nodig. We willen naar 20 Megawatt, een factor vijf minder. Dat is beter, maar nog steeds een enorme hoeveelheid. Het brein verbruikt maar 20 Watt, dat is een miljoen keer minder. Op dat lage verbruik zullen we met computers nooit komen. De architectuur van de huidige computers staat dat niet toe.”

Neuromorfe computers

Het Human Brain Project streeft er daarom ook naar zogenoemde neuromorfe computers te bouwen. In de computers die we kennen schuift de processor doorlopend gegevens heen en weer, en dat kost veel energie. Een neuromorfe computer werkt bij voltages die te laag zijn om een bit van 0 naar 1 te zetten, maar waarbij nog wel elektronen stromen, vergelijkbaar met de kleine elektrische ladingsverschillen waarmee zenuwcellen werken. „Een neuromorfe computer is geen software die zich gedraagt als een brein, of een die gebruik maakt van microprocessors en chips. Het is echt een fysiek model, een kopie van de manier waarop het brein werkt in silicium”, zegt Meier. „Als het werkt, hebben we een computer die maar weinig energie per operatie nodig heeft, die zelforganiserend is en leert.”

‘Hierna zullen we nog steeds niet weten hoe bewustzijn ontstaat’ – Psycholoog Max van der Linden

Er is nóg een partij die het complete brein wil simuleren in een computer: zoekmachinegigant Google. In 2011 begonnen computerwetenschappers Andrew Ng en Jeff Dean het project Google Brain. Door extreem veel gegevens in te voeren moet het systeem, een netwerk met vele duizenden processors, zelf afleiden wat een bepaalde term inhoudt. ‘Deep learning’ noemen ze het. Met het woord ‘kat’ is het inmiddels gelukt. Na het scannen van tien miljoen beelden uit filmpjes van YouTube herkende het algoritme de dieren die wij mensen hiermee bedoelen.

Google contracteerde zelfs de kunstmatige intelligentie-specialist Raymond Kurzweil. In zijn laatste boek How to create a mind doet hij uit de doeken hoe hij een brein wil bouwen. Hij denkt dat een softwaresimulatie van de functies van het brein relatief eenvoudig kan, zonder alle details van het brein al te kennen. „Het Blue Brain Project van Henry Markram is nuttig”, zegt hij in een videogesprek via Skype. „Ik geloof niet dat we het brein op biochemisch niveau hoeven te simuleren, zoals hij doet, om de capaciteiten te reproduceren. Maar zijn pogingen zijn belangrijk voor ons. Zo kunnen ons model testen en verfijnen.”

Man op de maan

De breinprojecten van Europa en de VS worden vergeleken met het man-op-de-maan-project dat Amerika in 1961 lanceerde. Maar volgens psycholoog Max van der Linden van de Universiteit van Amsterdam gaat dat totaal niet op. „Een man op de maan zetten is een peulenschil vergeleken met het willen begrijpen van het menselijk brein”, zegt hij. „Vijftien jaar geleden was neuro-imaging de belofte. Maar met al die hersenscanstudies zijn de grote vragen van toen nog steeds niet beantwoord. Nu moeten computersimulaties en nano-elektroden ons alle geheimen onthullen.”

Uit de breinprojecten zullen vast interessante toepassingen ontstaan, verwacht hij. Ze zullen nieuwe inzichten verschaffen in de werking van het brein. „Maar nog steeds zullen we niet weten hoe bewustzijn tot stand komt. Of hoe we de ziekte van Alzheimer kunnen genezen”, zegt Van der Linden.

Andere hersenonderzoekers hebben kritiek op de enorme bedragen die in projecten wordt gestopt. Het zal ten koste gaan van ander belangrijk onderzoek.

Natuurkundige Karlheinz Meier, mede-directeur van het Human Brain Project, blijft stoïcijns. „Wilde speculaties over wetenschappelijke uitkomsten doen we niet. We beloven zes projecten uit te bouwen, met mijlpalen. We hebben nauw omschreven wat we doen, en wanneer. We bouwen een megatelescoop voor het brein. Wat we zullen ontdekken, weten we niet.”

—–