Schlauer dank EBRAINS

Über die digitale Nutzerinfrastruktur EBRAINS, die aus dem Human Brain Project entstanden ist, können Forschende weltweit auf Hirnatlanten, Hirnmodelle, rund 200 Werkzeuge und unzählige Daten zugreifen. Im dreijährigen EU-Projekt EBRAINS 2.0 wird die Plattform nun mit großer Jülicher Beteiligung weiterentwickelt. Unterstützt werden Wissenschaftler:innen hier auch, wenn sie Supercomputer nutzen, große Datenmengen speichern und diese auswerten wollen. Aber auch die klinische Anwendung profitiert.

BLICKE INS GEHIRN: eine Auswahl verschiedener Bildgebungsverfahren im EBRAINS-Hirnatlas

3D Polarized Light Imaging

Das in Jülich entwickelte 3D-PLI-Mikroskopieverfahren zeigt mithilfe von polarisiertem Licht auf, wie Nervenfasern im Gehirn verlaufen, die dort rund 86 Milliarden Nervenzellen verbinden. Was man den bunten Bildern nicht ansieht: Schon in einem einzigen Hirnschnitt stecken über 250.000 einzelne Mikroskopaufnahmen.

Nervenzellen

Um diese unter dem Mikroskop zu sehen und ihre Anordnung und Anzahl zu bestimmen, benötigt man meist besonders bearbeitete und auf Glas aufgezogene Hirnschnitte. Solche Aufnahmen sind wichtig fürs Kartieren von Hirnarealen. Denn deren Grenzen erkennt man hier in der Nahaufnahme etwa anhand der unterschiedlichen Dichte von Nervenzellen.

Wahrscheinlichkeitskarten

Diese verknüpfen die Daten mehrerer Gehirne in einer Karte und zeigen auf, bis wohin ein bestimmtes Areal bei den meisten der untersuchten Hirne reicht (warme Farben) und bis wohin nur bei wenigen (kalte Farben).

BigBrain

Mit diesem in Jülich und Kanada entwickelten digitalen Modell können Forschende das menschliche Gehirn hochaufgelöst unter die Lupe nehmen: auf 20 Mikrometer genau, das ist so dünn wie ein Haar. Aktuell arbeitet das INM an einem digitalen 1-Mikrometer-Gehirn. Damit sollen erstmals alle 86 Milliarden Nervenzellen im Hirn erfassbar und neuronale Netzwerke noch besser verständlich werden.

Drei EBRAINS-Highlights

Der EBRAINS-Hirnatlas

Der interaktive EBRAINS Human Brain Atlas ist ein Kernstück der neuen digitalen Infrastruktur – und für die Hirnforschung ein gewaltiger Gewinn! Möglich wurde er durch FZJ-Beiträge wie den Julich Brain Atlas, das hochaufgelöste BigBrain und viele andere Erkenntnisse aus Jülich und Europa. Beim „Google Maps fürs Gehirn“ lassen sich ganz unterschiedliche Aspekte der Hirnorganisation – etwa Nervenzellen, Hirnareale, Nervenfaserverbindungen – mit verschiedensten Bildgebungsverfahren erfassen und mit Aspekten wie Alterungsprozessen verknüpfen. All dies profitiert zunehmend von Methoden der künstlichen Intelligenz, was den Hirnatlas auf ein neues Level bringt.

Die EBRAINS-Daten

Besonders wertvoll sind die über EBRAINS verfügbaren Forschungsdaten selbst: täglich wachsende Datenschätze aus verschiedensten Experimenten in ganz Europa. Sie lassen sich bei EBRAINS mit vielen anderen Funktionen verknüpfen, etwa um im Atlas Zellzahlen zu erfassen und zu visualisieren, oder um neue Modelle und Simulationen zu entwickeln. Die Daten lassen sich auch auslesen und in anderer Software optimal nachnutzen, weil sie detailliert beschriftet und nach den FAIR-Prinzipien angelegt sind. Auch das Teilen von richtig großen Daten hat EBRAINS technisch erstmals möglich gemacht.

EBRAINS-Simulationen

Ein weiteres EBRAINS-Highlight sind Tools, mit denen sich das Gehirn in verschiedenster Weise simulieren lässt. Besonders ins Detail geht es im molekularen Bereich: Über EBRAINS simulieren hier Jülicher wie Prof. Paolo Carloni und Prof. Giulia Rossetti (IAS-5) mit viel Rechenpower, wie genau bestimmte Moleküle ihre Ausrichtung ändern, wenn sich ein anderes Molekül nähert. Um die Aktivität ganzer Zellen möglichst exakt zu simulieren, nutzen Dr. Sandra Diaz und Wouter Klijn (JSC) wiederum das eigens entwickelte Tool Arbor, das als eines der ersten Anwendungen auf dem neuen EXASCALE-Supercomputer JUPITER laufen wird. In Jülich entwickelt hat Prof. Markus Diesmann (IAS-6) auch den Network Simulator (NEST), um große Netzwerke aus Millionen von Nervenzellen zu simulieren. Möglich sind auch Simulationen, die versuchen, die elektrische Aktivität von Gehirnen nachzubilden. Und das SimLab Neuroscience unterstützt Nutzer:innen aktiv dabei, die Simulationen auf die großen JSC-Rechner zu bringen.

Ursprünglich erschienen im Mitarbeitenden-Magazin „intern“ des Forschungszentrums Jülich.
Autor: Hanno Schiffer