Forscher vereinen sich auf der Suche nach dem „Standardmodell“ des Gehirns


Nach dem Vorbild großer physikalischer Projekte wird das International Brain Lab einige der weltweit führenden Neurowissenschaftler zusammenbringen, um ein einziges Verhalten zu untersuchen.

Führende Neurowissenschaftler arbeiten gemeinsam an der Erforschung des Gehirns – ähnlich wie Physiker in Megaprojekten auf der Suche nach neuen Teilchen.

Das International Brain Lab (IBL), das am 19. September ins Leben gerufen wurde, vereint 21 der führenden neurowissenschaftlichen Laboratorien in den USA und Europa zu einer gigantischen Zusammenarbeit, die Theorien darüber entwickeln wird, wie das Gehirn funktioniert, indem es sich auf ein einziges Verhalten konzentriert, das allen Tieren gemeinsam ist: die Nahrungssuche. Der Wellcome Trust in London und die Simons Foundation in Washington DC haben gemeinsam mehr als 13 Millionen US-Dollar in fünf Jahren zugesagt, um die IBL zu gründen.

Die Pilotbemühung ist ein Versuch, die zelluläre Neurowissenschaft aufzurütteln, die üblicherweise von einzelnen Laboratorien durchgeführt wird, die die Rolle einer begrenzten Anzahl von Hirnschaltungen bei einfachen Verhaltensweisen untersuchen. Das „virtuelle“ IBL-Labor fragt sich stattdessen, wie ein Maushirn in seiner Gesamtheit komplexe Verhaltensweisen in sich ständig ändernden Umgebungen erzeugt, die den natürlichen Bedingungen entsprechen.

Das Projekt wird Chips verwenden, die die elektrischen Signale von Tausenden Neuronen gleichzeitig aufzeichnen können. Sie wird auch andere aufstrebende Technologien nutzen, wie z. B. Optogenetics-Toolkits, die Neuronen mit Licht steuern. Es ist ein neuer Ansatz, der wichtige neue Erkenntnisse über Gehirn und Verhalten liefern wird „, sagt Tobias Bonhoeffer, Direktor des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried, der auch Mitglied des Wellcome Trust Board ist.

Große neurowissenschaftliche Projekte sind nicht selten. Im Jahr 2013 kündigte die Europäische Kommission das zehnjährige Human Brain Project an, das mehr als eine Milliarde Euro (1,1 Mrd. Dollar) kosten wird. 2014 lancierte US-Präsident Barack Obama die US-Brain-Initiative zur Entwicklung von Neurotechnologien, die in diesem Jahr mit 110 Millionen Dollar gefördert wird. Das Allen Institute for Brain Science in Seattle, Washington, erstellt seit 2003 umfassende Karten der Gehirnanatomie und neuronalen Schaltkreise. Auch Japan, China, Kanada und andere Länder haben oder planen eigene große neurowissenschaftliche Initiativen.

Aber keines funktioniert so wie das IBL, das ähnlich wie große physikalische Projekte wie ATLAS und CMS im europäischen Teilchenphysiklabor CERN, das 2012 das Higgs-Boson nachweisen konnte. Die beiden Kollaborationen am Large Hadron Collider des CERN in der Nähe von Genf, Schweiz, versammelten Experimentatoren und Theoretiker aus Hunderten von Labors weltweit, um das Standardmodell der Teilchenphysik zu testen.

Wie die massiven CERN-Teams hat auch die IBL eine flache Hierarchie und einen kollaborativen Entscheidungsprozess mit fast täglichen Web-Meetings geschaffen. Anstatt nur zu handeln, wenn ein Konsens in der Gruppe erreicht ist, treffen die Teams Entscheidungen durch einfache Zustimmung. Niemand wird ein vorgeschlagenes Experiment stoppen können, ohne einen überzeugenden Vorschlag zu machen, warum es eine Katastrophe wäre „, sagt Alexandre Pouget, Mitglied des IBL und Theoretiker an der Universität Genf in der Schweiz.

Bislang, so Andreas Herz, theoretischer Neurowissenschaftler an der Ludwig-Maximilians-Universität München,“steckt die Neurowissenschaft in einer explorativen Phase“. Das IBL soll vereinheitlichende Theorien über die Kodierung und Berechnung von Informationen durch das Gehirn generieren und testen – auf der Suche nach dem Äquivalent des Standardmodells der Physiker.

Das IBL sei aber unter den großen neurowissenschaftlichen Projekten in Theorie und Praxis kaum einzigartig, betont die Neuroanatomin Katrin Amunts vom Forschungszentrum Jülich. Amunts ist auch Vorsitzender des wissenschaftlichen Beirats des europäischen Projekts Human Brain, einer Initiative, die sich bei ihren eigenen Versuchen, die Funktionsweise des Gehirns zu verstehen, auf eine konventionellere Art und Weise der Zusammenarbeit anstrebt. „Die Zukunft wird zeigen, was das Beste ist“, sagt sie.

Die Hauptuntersuchungsbeauftragten des IBL, zu denen Experten für Datenanalyse sowie experimentelle und theoretische Neurowissenschaftler gehören, werden etwa 20 % ihrer Zeit dafür aufwenden. In den ersten beiden Jahren baut das IBL Informatik-Tools für den automatischen Datenaustausch und erstellt ein zuverlässiges Versuchsprotokoll für eine grundlegende Futtersuche an Mäusen. Die Mitglieder müssen ihre Experimente registrieren, bevor sie beginnen, und die Ergebnisse sind sofort für die gesamte Zusammenarbeit sichtbar.

Es ist eine große Herausforderung – und es ist nicht die Art und Weise, wie das Feld im Moment funktioniert „, sagt Anne Churchland, IBL-Mitglied im Cold Spring Harbor Laboratory, New York.

In der experimentellen Neurowissenschaft kann die kleinste Parameteränderung die Ergebnisse des Experiments verändern. Das IBL-Standardprotokoll versucht, alle möglichen Variabilitätsquellen anzugehen, von der Ernährung der Mäuse über den Zeitpunkt und die Menge des Tageslichts, dem sie ausgesetzt sind, bis hin zu der Art der Bettwäsche, auf der sie schlafen. Jedes Experiment wird in mindestens einem separaten Labor unter Verwendung identischer Protokolle repliziert, bevor die Ergebnisse und Daten publiziert werden.

Ein solcher Ansatz wird helfen, die Reproduzierbarkeitskrise zu lösen „, sagt Christof Koch, Präsident des Allen Institute for Brain Science.

Die Ausweitung der IBL über die Pilotphase hinaus erfordert weit mehr als 13 Millionen Dollar, bestätigt Pouget. Nachdem das Foraging-Protokoll festgelegt ist, werden in der zweiten Phase des Projekts spezifische Theorien zur Integration verschiedener Informationen durch das Gehirn getestet, um momentane Entscheidungen zu treffen. Er hofft auch, viele weitere Labors anzumelden und die Reihe der untersuchten Verhaltensweisen zu erweitern.

Für Herz, einen Theoretiker, der Teil eines einflussreichen Computational-Neuroscience-Netzwerks ist, ist es an der Zeit, dass die Neurowissenschaft eine solche Strenge annimmt. „In hundert Jahren“, sagt er,“werden die Leute zurückblicken und sich fragen, warum es bisher nicht möglich war, einen eher auf Physik basierenden Ansatz zu verfolgen, Experimente zu entwerfen, um Theorien zu konsolidieren oder zu widerlegen.“

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