Intelligente Prothesen und Computersimulationen, die Funktionen des Gehirns aufklären und die dabei helfen, neue Therapien zu entwickeln – diese Beispiele zeigen, welchen Innovationen Computational Neuroscience den Weg bahnen kann.
Mit Computersimulationen und Experimenten entschlüsseln Forschende die Arbeitsweise des Gehirns. Ihre Ergebnisse inspirieren auch viele Anwendungen der Künstlichen Intelligenz.
Jörg Müller, Hamburg
Die funktionelle Analyse des menschlichen Gehirns ist eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen. Sie kann nur mit interdisziplinären und dynamischen Forschungsansätzen erreicht werden. Dieser Herausforderung widmet sich das Forschungsfeld der Computational Neuroscience. Es verbindet experimentelle und theoretische Ansätze: Forschende aus den Disziplinen Neurowissenschaften, Medizin und Psychologie sowie Mathematik, Informatik, Physik und Ingenieurwissenschaften arbeiten hier eng zusammen.
Wie Computer helfen, das Denken zu verstehen
Mit dem Ansatz der Computational Neuroscience wird erforscht, wie das Nervensystem Informationen verarbeitet. Das reicht von den Sinneseindrücken beim Sehen und Hören bis hin zum Lernen, Erinnern und schließlich dem Treffen von Entscheidungen.
Dafür entwickeln Forschende auf der Basis experimentell gewonnener Daten mathematische Modelle, mit denen sie neuronale Funktionen am Computer simulieren. Die Vorhersagen der Modelle zum neuronalen Verhalten überprüfen sie wiederum experimentell. Dieses Wechselspiel optimiert die virtuellen Modelle und bringt die Forschenden dem Verständnis der Hirnfunktionen so Schritt für Schritt näher.
Von den Forschungserfolgen auf diesem Gebiet profitieren innovative Technologien. Mithilfe des Wissens um die Hirnfunktionen können intelligente technische Hilfsmittel entwickelt werden, beispielsweise Fahrassistenz-Systeme, selbstlernende Computer, Roboter oder intelligente Prothesen.
Außerdem können Computermodelle dabei helfen, die Fehlfunktionen des Gehirns und die Ursachen von Krankheiten zu entschlüsseln. Mithilfe von Computersimulationen wollen Forschende künftig auch Therapieansätze optimieren und virtuell – sozusagen in silicio – erproben.
Nationales Bernstein Netzwerk Computational Neuroscience
Namensgeber des Bernstein Netzwerks ist der deutsche Physiologe Julius Bernstein (1839-1917). Er entwickelte eine erste biophysikalische Erklärung dafür, wie Nervenzellen mit Hilfe elektrischer Ströme Informationen weiterleiten und verarbeiten.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) etablierte durch eine Reihe aufeinander abgestimmter und einander ergänzender Förderinitiativen das Nationale Bernstein Netzwerk Computational Neuroscience (NNCN). Das Gesamtfördervolumen beträgt im Zeitraum von 2004 bis 2020 rund 190 Millionen Euro. Das BMBF verfolgt damit die folgenden Ziele:
