The Human Brain Project Ziele, Perspektiven und Chancen Katrin Amunts

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1 The Human Brain Project Ziele, Perspektiven und Chancen Katrin Amunts INM-1, Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Forschungszentrum Jülich, Deutschland Cécile und Oskar Vogt Institut für Hirnforschung, Heinrich Heine Universität Düsseldorf, Deutschland The Human Brain Project Trendtage Gesundheit Luzern März 2016

2 Komplexität bändigen 100 Mrd. Neurone Mit je10 4 Synapsen 2 Zustände = 2 BIG DATA ANALYTICS HIRNMODELLE UND SIMULATION

3 Zeitlicher Horizont: ms Jahre Sarid et al., Cereb. Cortex, 2015 Sarid et al., Cereb. Cortex, 2015

4 Offene Fragen der Neurowissenschaften z.b. Wie und wo speichert das Gehirn Informationen? Welche Kommunikationsprotokolle werden verwendet? Was bedeutet interindividuelle Variabilität für Hirnfunktion, Verhalten und klinische Symptome? Wie kann man die räumlichen und zeitlichen Skalen überbrücken? Wie werden Aktivitäten von Zellen in komplexe kognitive Leistungen und Verhalten übersetzt? Was sehen die Organisationsprinzipien der Hirnrinde aus? Welches Area ist wofür verantwortlich und warum? Was ist Bewusstsein? diese Fragen werden nicht kurzfristig zu beantworten sein aber werden mit neuen Methoden und Technologien besser adressierbar

5 The Human Brain Project (HBP) Eines von zwei Flaggschiffprojekten der Europäischen Kommission (FET) 10-Jahres-Perspektive mit einem geplantem Budget von 1 Mrd. Ca. 400 Wissenschaftler/Innen von 114 Institutionen aus 24 Ländern Weitreichende Veränderungen nach Mediationsprozess Aktuell: Verhandlungen zum Übergang in die operationale Phase (SGA1) Platform Launch: 30. März 2016 March 3,

6 Projektstruktur in der operationalen Phase: 11+1 Teilprojekte und 6 Co-Design Projekte The overall aim of the HBP is to put in place a cutting-edge, ICT-based scientific research infrastructure, that will permit scientific and industrial researchers to advance our knowledge in the fields of neuroscience, computing and brain-related medicine. SP1 Mouse brain organisation SP2 Human brain organisation SP3 Systems and Cogntitive Neuroscience SP4 Theoretical Neuroscience SP5 Neuroinformatics platform SP6 Brain simulation platform SP7 High performance analytics and computing platform SP8 Medical informatics platform SP9 Neuromorphic computing platform SP10 Neurorobotics platform SP11 Central services SP12 Ethics and society Teilprojekte (SP) Co-Design Projekte (CDP) CDP1 Entwicklung eines Modell des Mausgehirns und Atlas CDP2 Maus-basierte zelluläre kortikale und subkortikale Modelle von Schaltkreisen CDP3 Multi-level Altas des menschlichen Gehirns CDP4 Visuo-motorische Integration CDP5 Plastizität, Lernen und Entwicklung: Modellierung der Hirndynamik CDP6 Drug Research

7 SP8: Medizinische Informatik 1. Schaffung einer übergreifenden Datenstruktur für klinischen Daten 2. Gewinnung und Umgang mit den Daten unter Einhaltung von Anonymität 3. Entwicklung/Anwendung Machine Learning 4. Gewinnung von biologischen Signaturen von Erkrankungen SP-Leader: Richard Frackowiak Anastasia Ailamaki

8 Neue Karten sind Voraussetzung für neue Erkenntnisse Historische Weltkarte, 1434

9 HBP Atlas mit zytoarchitektonischen Karten des JuBrain Atlas Zur Interpretation von fmri Befunden Anatomy toolbox (Eickhoff et al., 2005/06)

10 Fp1 Fp2 Differentielle Differential Geneexpression affection functional in major connectivity depression Differential gene expression Different affection in major depression Differential connectivity and function Fp1 : Kognition/ Arbeitsgedächtnis, Perzeption Fp2 : Emotion, Semantik, soziale Kognition (Bludau, (Bludau et al., et 2015, al., Neuroimage, Am. J. Psych., 2014) in press)

11 Das BigBrain als Teil des HBP Atlas ifs sfs sfs ifs B Zilles & Amunts et al. Goebel et al. Amunts et al. Science, 340(6139): , 2013 Amunts et al., in Brain Inspired Computing, Grandinetti, Lippert, Petkov, (Ed.), 2014, Lecture Notes in Computer Science 8603: 3-14, Springer. Costantini et al., 2015

12 Visuelle Kognition: Umschalten auf der perzeptiver Ebene Ambiguous Plaids Stimulus Castelo-Branco, M., Goebel, R, Neuenschwander, S., Singer, W. (2000). Nature, 405, Castelo-Branco, M., Formisano, E., Backes, W., Zanella, F., Neuenschwander, S., Singer, W. & Goebel, R. (2002). Activity patterns in human motion-sensitive areas depend on the interpretation of global motion. Proc Natl Acad Sci USA, 99,

13 Kolumnare Aktivität im bewegungssensitiven Areal hmt in Abhängigkeit von der perzeptiven Ebene Goebel, Vanduffel et al.

14 Hohe räumliche Auflösung Datenvolumen & Zeit (z.b. 1 TB, 8h) 8 h 40x, 0.75 NA, Plan NeoFluar, x/y = 0.11 mm, z=0.65

15 Kartierung des Nucleus 1 mm Regulation von Kognition, Impulsivität, motorischer Kontrolle Ziel von DBS, z.b. Morbus Parkinson Es existieren sehr unterschiedliche vorstellungen darüber, wie der Nucl. Subthalamicus gegliedert ist Analyse basiert auf Bildern mit 1 mm Auflösung

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18 Bildgebung mit polarsiertem Licht (3D-PLI) zeigt Konnektivität Serienschnitte pro Gehirn μm Dicke

19 3D-PLI: Faserarchitektur human brain Rattengehirn Axer et al., 2011 a,b; Reckfort et al., 2015; Menzel et al., 2015; Kleinen et al., 2015 Axer, Amunts, Zilles et al.

20 In Zusammenarbeit mit Brain Mapping in Jülich Markus Axer Sebastian Bludau Marcus Cremer Timo Dickscheid David Gräßel Rene Hübbers Marcel Huysegoms Hartmut Mohlberg Julia Reckfort Martin Schober Nicole Schubert Guiseppe Tabbi Hendrik Wiese Karl Zilles JSC (Jülich): Thomas Lippert, Norbert Attig, Dirk Pleiter, Oliver Bücker, Anna Lührs, Bastian Twedell HBP: Francesco Pavone, Jeff Mangin, Rainer Goebel, Wim Vanduffel, and colleagues McGill University, Montreal: Alan Evans, Claude Lepage, Marc Rousseau, Louis Borgeat, Lindsay Lewis, Reza Adalat