Menschliches Hirn Vorbild für IBM-Supercomputer

Kühlung und Energieversorgung wie beim Blutkreislauf durch Flüssigkeit

Walnuss: Gehirn inspiriert mit seinem Gefäßsystem
(Foto: pixelio.de/C. Enzmann)

Zürich/Bielefeld (pte004/22.10.2013/06:15)
Forschern des IBM Research in Rüschlikon ist es gelungen, den Prototypen eines Chips zu bauen, der so ähnlich wie das menschliche Gehirn funktioniert. Dabei dient der Blutkreislauf mit seinem komplexen Gefäßsystem als Vorbild. Wie beim Menschen das Blut sorgt Flüssigkeit bei der sogenannten Redox-Flow-Technik dafür, dass der Computer mit Energie versorgt und gekühlt wird.

Cray-1 erstmals mit Kühlung

"Das besondere an diesem neuen Ansatz ist, dass Kühlung und Energieversorgung erstmals in einem Computer vereint werden. Bei den ersten Supercomputern wie der Cray-1 aus den 80er Jahren ist ein separates Kühlsystem zum Einsatz gekommen, das durch eine umlaufende Sitzbank kaschiert worden ist", führt Ipke Wachsmuth, Professor für Künstliche Intelligenz an der Universität Bielefeld, gegenüber pressetext aus. Das neue Konzept stelle eine spannende Möglichkeit dar, in Zukunft Supercomputer kleiner und energiesparsamer zu machen.

Das menschliche Gehirn hat eine 10.000 Mal dichtere Struktur und verbraucht 10.000 Mal weniger Energie als herkömmliche Computer. Aus diesem Grund haben sich die Forscher das Ziel gesetzt, einen Chip zu kon­struieren, der ebenso leistungsfähig ist. Der Testaufbau wurde vergangene Woche von den IBM-Forschern Patrick Ruch und Bruno Michel an der ETH Zürich präsentiert worden.

Basismodell noch im Laborstadium

Die Stromversorgung soll nicht wie üblich über Drähte, sondern das Kühlmittel erfolgen. Dabei wird die Energie über elektrochemische Reaktionen direkt zum Chip transportiert. Die mit Chemikalien versetzte Flüssigkeit dient als Elektrolyt und wird von den Elektroden elektrisch geladen. Anschließend wird elektromechanische Flüssigkeit in den Computer gepumpt, wo der Chip mit Energie versorgt wird. Derzeit befindet sich das Redox-Flow-System noch in einer Testphase, in der noch mit unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten und Tem­peraturen experimentiert wird.

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Schlaf reinigt Gehirn von Giftstoffen

"Abfallbeseitigung" einer der Hauptgründe für Ruhebedürfnis

Gehirn reinigt sich im Ruhemodus von selbst
(Foto. SPL)

Rochester (pte009/18.10.2013/10:30)
Das Gehirn nutzt den Schlaf, um Giftstoffe wegzuspülen, die sich während eines ganzen Tages intensiven Denkens angesammelt haben. Zu diesem Ergebnis kommt die University of Rochester Medical Centre. Das Team um Maiken Nedergaard geht davon aus, dass dieses "Abfallbeseitigungssystem" einer der Hauptgründe für den Schlaf an sich ist.

Gehirnzellen schrumpfen

Die in Science veröffentlichte Studie hat auch gezeigt, dass Gehirnzellen während des Schlafes schrumpfen, um die Lücken zwischen den Neuronen zu öffnen und so Flüssigkeit zu ermöglichen, das Gehirn sauber zu "waschen". Das weist auch darauf hin, dass das Versagen dieses Reingungsmechanismus eine Rolle bei Erkrankungen des Gehirns spielen könnte.

Eine der großen Fragen für Schlafforscher ist, warum Tiere schlafen, wenn sie damit angreifbar für ihre Feinde werden. Es wurde bereits nachgewiesen, dass der Schlaf eine große Rolle bei der Verankerung von Erinnerungen im Gehirn und dem Lernen spielt. Jetzt gehen die Wissenschaftler aber auch davon aus, dass "Hausarbeit" einer der Hauptgründe für die Notwendigkeit zu schlafen, sein könnte.

Energie wird optimal genutzt

Laut Nedergaard hat das Gehirn nur eingeschränkt Energie zur Verfügung. Es scheint so zu sein, dass es zwischen zwei verschiedenen Funktionsarten wählen muss - und zwar wach und aufmerksam oder schlafen und reinigen. Die Forscherin vergleicht diesen Mechanismus mit einer Hausparty. "Entweder unterhält man die Gäste oder man räumt das Haus auf. Beides gleichzeitig geht nicht wirklich."

Die Forschungsergebnisse basieren auf einer Entdeckung, die erst im Vorjahr gemacht wurde. Es handelt sich dabei um ein Netzwerk von "Rohrleitungen" im Gehirn, das sogenannte glymphatische System, das Abfallstoffe aus dem Gehirn transportiert. Wissenschaftler haben bereits an den Gehirnen von Mäusen sichtbar gemacht, dass das glymphatische System zehn Mal aktiver war, wenn die Tiere schliefen.

Annahmen sind reine Spekulationen

Gehirnzellen, wahrscheinlich die Gliazellen, die Nervenzellen am Leben erhalten, schrumpfen während des Schlafes. Damit vergrößert sich der interstitielle Raum, erweitern sich also die Lücken innerhalb des Gehirns. Damit kann mehr Flüssigkeit durchgepumpt und Giftstoffe weggeschwemmt werden. Dabei handelt es sich laut Nedergaard um eine für das Überleben entscheidende Funktion.

Sie scheint im wachen Zustand jedoch nicht durchgeführt werden zu können. Es handelt sich hierbei jedoch um eine reine Spekulation. Es sehe so aus, als ob das Gehirn sehr viel Energie verliere, wenn es eine Wasserlösung durch das Gehirn pumpt, und das dürfte nicht mit der Verarbeitung von Informationen kompatibel sein. Laut Nedergaard lässt sich die wahre Bedeutung dieser Ergebnisse erst nach Studien mit Patienten einschätzen. Es dürfte jedoch relativ einfach sein, entsprechende Experimente mit einer MRT-Anlage durchzuführen.

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Empathie

Das Gehirn macht keinen Unterschied zwischen uns und den uns Nahestehenden

Für das menschliche Gehirn gilt: Mir ist wir
(Foto: Corbis)

Unter Empathie versteht man die Fähigkeit, Emotionen und Gefühle anderer zu verstehen oder gar selbst zu empfinden. In einer kürzlich durch­geführten Studie haben Forscher beobachtet, dass unser Gehirn keinen Unterschied macht, wenn ein uns Nahestehender in Gefahr ist oder wenn uns selbst Gefahr droht.

Studie

Um das nachzuweisen, haben die Wissenschaftler die Hirnreaktionen der Teilnehmer mithilfe der fMRT (funktionelle Magnetresonanztomographie) in drei Situationen beobachtet: Man kündigte ihnen an, dass ihnen selbst, einem ihnen Nahestehenden oder einem Fremden ein leichter Stromstoß verabreicht werden würde.

Ergebnisse

Die Hirnregionen, die bei Bedrohung aktiviert werden, sind die anteriore Insula, das Putamen und der Gyrus supramarginalis. Die Forscher haben entdeckt, dass diese Regionen in sehr ähnlicher Weise aktiviert werden, wenn die Bedrohung gegen eine nahestehende Person gerichtet ist, so als wäre sie ein Teil von uns selbst. Diese Regionen werden dagegen nicht aktiviert, wenn ein Fremder bedroht wird.

Quelle: Beckes, James A. Coan, Karen Hasselmo. Familiarity promotes the blurring of self and other in the neural representation of threat. Social Cognitive & Affective Neurosci, 2013, Volume 8, Issue 6, Pp. 670-677. doi: 10.1093/scan/nss046
PDF "Familiarity promotes the blurring of self and other in the neural representation of threat"

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Chemikalie verhindert Absterben von Gehirnzellen

Wissenschaftler hoffen auf Medikament gegen Alzheimer und Parkinson

Wirkung eines Medikaments: Alzheimer und Parkinson wären heilbar
(Foto: SPL)

Leicester (pte002/11.10.2013/06:05)
Die Entdeckung der ersten Chemikalie, die das Absterben von Gehirngewebe bei neuro­dege­nerativen Erkrankungen verhindern kann, gilt als historisches Ereignis in der medizinischen Forschung. Weitere Tests sind jedoch für die Entwicklung von Medikamenten erforderlich, die von Patienten eingenommen werden können.

Abwehrmechanismen im Fokus

Ein mögliches Medikament könnte zur Behandlung von Alzheimer, Parkinson, der Huntington-Krankheit und anderen Erkrankungen eingesetzt werden. Erste Tests an der University of Leicester haben nachgewiesen, dass das Absterben von Zellen durch Prionenerkrankungen verhindert werden kann.

Das Team der Medical Research Council Toxicology Unit konzentrierte sich auf die natürlichen Abwehrmechanismen der Gehirnzellen. Übernimmt ein Virus eine Gehirnzelle, kommt es zu einer Ansammlung von viralen Proteinen. Die Zellen reagieren mit einer fast vollständigen Einstellung der Proteinproduktion. Sie versuchen damit, die Ausbreitung des Virus zu verhindern.

Eiweißproduktion entscheidend

Bei zahlreichen neurodegenerativen Erkrankungen kommt es zur Produktion von fehlerhaften oder falsch gefalteten Eiweißmolekülen. Dadurch werden die gleichen Abwehrmechanismen aktiviert. Sie haben jedoch schwerwiegendere Folgen. Die falsch gefalteten Proteine bleiben und die Gehirnzellen stellen die Eiweißproduktion so lange ein, bis sie irgendwann absterben.

Wiederholt sich dieser Vorgang in Neuronen im Gehirn, kann die Folge eine Zerstörung der Bewegungsfähigkeit, des Gedächtnisses oder gar der Tod sein. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass dieser Vorgang bei zahlreichen verschiedenen Arten der Neurodegeneration eintritt. So könnte eine sichere Möglichkeit zur Unterbrechung des Mechanismus die Behandlung einer Vielzahl von Erkrankungen bedeuten.

Erste Tests mit Mäusen getätigt

Das Team um Giovanna Mallucci nutzte ein Gemisch, das verhindert, dass diese Abwehrmechanismen stattfinden und stoppte damit die Neurodegeneration. Die in Science Translational Medicine veröffentlichte Studie zeigt, dass Mäuse mit Prionenerkrankungen schwere Symptome entwickelten. Innerhalb von zwölf Wochen starben die Tiere.

ene Mäuse, die mit dem neuen Wirkstoff behandelt wurden, wiesen jedoch keinen Abbau des Gehirngewebes auf. Laut Mallucci ist es den Tieren gut gegangen. "Wirklich aufregend ist, dass ein Wirkstoff die Neurodegeneration erstmals völlig verhindert hat. Dieser Wirkstoff kann noch nicht beim Menschen eingesetzt werden. Damit ist aber bewiesen, dass es möglich ist und das ist schon einmal ein Anfang." Die Forscher führen derzeit an Mäusen Tests für andere Formen von Neurodegeneration durch. Ergebnisse wurden noch nicht veröffentlicht.

Nebenwirkungen sind jedoch ein Thema. Der Wirkstoff hat Auswirkungen auf die Bauchspeicheldrüse. Das bedeutet, dass die behandelten Tiere an einer leichten Form von Diabetes erkrankten und an Gewicht verloren. Ein Medikament, das bei Patienten eingesetzt werden kann, dürfte daher nur im Gehirn wirken.

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