„Eigentlich wollte ich Meeresbiologin werden“, bekennt Dr. Kimberley Lothmann. „Ich wollte die Welt verbessern. Dann bin ich aber in den Neurowissenschaften gelandet. Denn ich denke, dass auch unser Verständnis des Gehirns noch ein wenig Verbesserung nötig hat. Wie das komplexeste menschliche Organ funktioniert, haben wir noch lange nicht begriffen.“
Die Wissenschaftlerin lehrt an der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf und forscht am Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1). Dort hilft sie dabei, das menschliche Gehirn zu kartieren: „Der Julich Brain Atlas ist eine dreidimensionale digitale Karte des Gehirns – eine Art Google Maps für unser Denkorgan.“ Er verzeichnet, wie die verschiedenen Zellarten über das Gehirn verteilt sind, wo die Verbindungen zwischen Nervenzellen liegen und wie die Rezeptoren verteilt sind, an denen die Botenstoffe andocken.
Der Jülicher Gehirnatlas bildet das Herzstück der europäischen digitalen Forschungsinfrastruktur EBRAINS, die aus dem Human Brain Project der EU hervorgegangen ist. „Über EBRAINS steht der Gehirnatlas der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft zur Verfügung. Er bildet das Fundament für weitere Arbeiten“, sagt Kimberley Lothmann. Von ihm profitiere zum einen die Grundlagenforschung: zu Hirnmodellen und Simulationen von neuronalen Prozessen. Perspektivisch könnten die Daten aber auch interessant sein für die Entwicklung neuer Medikamente oder für Neuroimplantate, etwa bei Parkinson. Und als Treiber für neue KI-Algorithmen und energiesparende, neuromorphe Computer, die nach dem Vorbild des Gehirns arbeiten.
EBRAINS vereint 41 Institutionen aus der Gehirnforschung und ermöglicht weltweit rund 17.000 Usern den Zugriff auf Daten und Software. Die Rechenpower dafür wird auch in Jülich bereitgestellt. Das Forschungszentrum koordiniert den deutschen Knoten des internationalen Projekts. Derzeit wird die Plattform weiterentwickelt. In EBRAINS 2.0 geht es darum, nicht nur Forschung zu ermöglichen, sondern auch die gesammelten Daten zusammenzubringen und zu vernetzen.
Der Informatiker Dr. Christian Schiffer entwickelt, ebenfalls am INM-1, KI-Algorithmen, um die riesigen Datenmengen, die für den Julich Brain Atlas anfallen, verarbeiten zu können. Für den Atlas werden von menschlichen Spendergehirnen bis zu 8.000 dünne Schnitte angefertigt. Die Schnitte werden angefärbt, so dass die Nervenzellen unter hochauflösenden automatisierten Mikroskopen sichtbar gemacht und eingescannt werden können. „Daraus lässt sich dann zum Beispiel die Verteilung der Neuronen in den jeweiligen Gehirnregionen ermitteln“, erklärt Christian Schiffer.
Traditionell wurde das per Auge gemacht, aber bei den riesigen Datenmengen, die verarbeitet werden müssen, ist das sehr, sehr zeitaufwändig. „Das sind Hunderte Terabyte bis hin zu mehreren Petabytes. Wir sind auf Hochleistungsrechner und KI-Modelle angewiesen, wenn wir das menschliche Gehirn digital nachbilden und verstehen wollen“, so der Forscher. Dabei hilft der neue Exascale-Rechner JUPITER.
Die Modelle, die Christian Schiffer auf den Hochleistungsrechnern trainiert, sollen künftig die digitalisierten Gehirnschnitte automatisiert auswerten, zum Beispiel die Zelldichte ermitteln oder die Gehirnareale bestimmen. „Wir arbeiten aber auch an einem sogenannten Foundation-Modell für die Gehirnforschung. Anstelle von vielen spezialisierten Modellen wäre das ein großes, leistungsstärkeres Modell, das mit umfangreichen Datenmengen trainiert wird und auf viele verschiedene Anwendungsfälle angepasst werden kann. Vergleichbar mit den großen Sprachmodellen hinter Chatbots wie ChatGPT.“
Dass in Jülich Hirnforscher:innen und Computer-Expert:innen quasi Tür an Tür arbeiten, ist für Schiffer ein großer Vorteil: „Tauchen Herausforderungen auf, dann kann ich mich direkt mit den Kolleginnen und Kollegen austauschen“, so der Informatiker. Ideale Voraussetzungen, um die Werkzeuge und Modelle aus der EBRAINS-Infrastruktur zum Nutzen möglichst vieler User aus ganz Europa weiterzuentwickeln.
Wie es begann
Die Wurzeln der Hirnforschung in Jülich reichen bis in die Gründungszeit zurück. Aus Nuklearchemie und Nuklearmedizin entwickeln sich etwa ab den 1990er Jahren die Forschung zu bildgebenden Verfahren sowie die Neurowissenschaften. Verschiedene Großgeräte wurden angeschafft, unter anderem für die Kernspintomographie. Das Ziel: das Gehirn besser verstehen sowie Erkrankungen wie Alzheimer und Tumore bekämpfen. Aus Jülich kommen diverse Innovationen, etwa die sogenannte FET-PET zur Erkennung von Hirntumoren oder das Gehirnmodell BigBrain. EBRAINS schlägt die Brücke zwischen Neurowissenschaften und Computing, um neue Erkenntnisse und innovative Infrastrukturen zu ermöglichen.
Dieser Artikel ist Teil der effzett 1/2026. Text: Arndt Reuning
