Esittelyssä Blue Brain -projekti

2.9.2019
Blue Brain -nimellä kulkeva kunnianhimoinen sveitsiläinen projekti kehittää jyrsijöiden aivoista alkaen, aina ihmisten aivojen toimintoja noudattavaa digitaalista mallia, josta odotetaan tulevan yksityiskohtaisin aivojen arkkitehtuuria ja toimintaa kuvaava malli aina tähän päivään saakka.

Aivan kuten astrofyysikot suuntaavat katseensa ulospäin ymmärtääkseen tähtien mekaniikkaa, samoin neurotieteilijät kurkistavat sisäänpäin purkaakseen ihmisen aivojen toimintaa. Tämä jo vuosikymmeniä sitten syntynyt kunnianhimoinen tieteenhaara ja lähes loputon matka näyttelee nyt suurinta eksponenttia seuraavan tutkimushankkeen muodossa: aloite tunnetaan nimellä Blue Brain, vuonna 2005 syntyneenä yhteishankkeena sveitsiläisen professori Henry Markramin toimesta.

On ominaista, että me ihmiset piirrämme karttoja etsinnän tai tutkimusmatkan tulosten havainnollistamiseksi, koska tällä tapaa tulokset pystytään tallentamaan niin, että myös muut voivat jatkaa niiden tutkimista. 

Mikä on Blue Brain -projekti?

Samoin kuin musteelle ja paperille tallennetut uuden maailman kartat edustivat reittejä uudelle mantereelle, Blue Brain -projektin tarkoituksena on kehittää digitaalisten apuvälineiden avulla kartta, joka tulee havainnollistamaan ihmisten aivojen hermosolujen ja niiden aktivoitumisen toimintoja tarkemmin kuin mikään aiemmista tai tämänhetkisistä tutkimuksista ja tieteellisistä malleista. Blue Brainin lopullisena päämääränä on kartta, joka tulee tarjoamaan meille tietoa tämän ihmeellisen elimen syvimmistäkin kolkista.

Ihmisen aivojen arkkitehtuurin ja toiminnallisen dynamiikan tarkan havainnollistamisen aikaansaamiseksi on lähtökohtana aloitettu hanke, jossa jyrsijöiden aivot jälleenrakennetaan digitaalisessa muodossa. 

Sveitsiläisen Lausannen yliopiston École polytechnique fédérale de Lausannen eli EPFL:n kunnianhimoinen hanke sai alkunsa toukokuussa jo 14 vuotta sitten: tuolloin tästä ihmisaivojen rakenteen ja toiminnan jälleenrakentamisesta biologisesti yksityiskohtaisella tavalla päätettiin ensimmäisen kerran. Projekti perustuu stimulaatioihin ja aivojen kuvaamiseen ja siinä käytettyä tekniikkaa kutsutaan takaisinmallinnukseksi (englanniksi reverse engineering).

Jyrsijöiden aivojen valinta ihmisen aivoja edustavaksi perustaksi, joka tietysti on paljon monimutkaisempi, perustuu jyrsijän ja ihmisten aivojen samankaltaisuuteen – vaikkakin aivan eri tasoilla –  sekä siihen, että molemmissa tapauksissa on kyse nisäkkään aivoista. Aloitteen taustalla oleva tekniikka perustuu Blue Gene -supertietokoneeseen, joka toimii yhdessä NEURON-nimisen ohjelmiston kanssa.

“Jokainen tunteita herättävä ärsyke tuottaa uusia yhteyksiä aivojemme eri soluryhmien välillä.”

-Eduard Punset Casals-

Blue Brain -projekti pyrkii rakentamaan aivojen pienimmätkin yksityiskohdat digitaaliseen muotoon

Blue Brain -projektin empiirisenä perustana ja sen perusteisiin käytettynä mallina toimii kartta aivojen neuronien välisistä yhteyksistä, joita kutsutaan myös konnektomeiksi. Tämä malli viittaa aivojen hermosolujen biologisen realistiseen ja digitaaliseen simulaatioon, ja siitä odotetaan muodostuvan kokonaisvaltainen aivojen ja mielen mysteereitä selittävä tietosanakirja.

Tällaista hanketta ei olisi pystytty toteuttamaan ilman kansainvälisen yhteistyön tukea; siksi samanaikaisesti kehitetään myös muita samankaltaisia hankkeita, jotka tukevat ja täydentävät Blue Brain -projektia.

  • Cajal Blue Brain -projekti, jota koordinoi madridilainen supertietokoneisiin ja visualisointiin erikoistunut CeSViMa -keskus.
  • International Business Machines Corporationin eli IBM:n Joshua Blue -projekti, joka tavoittelee ihmisaivoja jäljittelevällä tekoälyllä (AI) varustettujen tietokoneiden ja ohjelmistojen rakentamista.
  • Human Brain Project eli HBP tunnetaan projektina, jonne monet eurooppalaiset yliopistot ovat sijoittaneet sekä tieteellistä että ohjelmistollista tukea yksityiskohtaisempaan ihmisaivojen tuntemukseen.

Miten Blue Brain eroaa muista samankaltaisista projekteista?

Blue Gene -superohjelmiston sallimat rekonstruktiot ja simulaatiot ovat johtaneet siihen, että Blue Brain kykenee esittelemään meille täysin uudenlaisen ja radikaalimman lähestymistavan aivojen toiminnan ymmärtämiseen käsittelemällä sitä eri tasoihin jaettuna rakenteena. Tämä ”kerrosten” kokoonpano antaa tilaa niin mielen toiminnalliselle monimuotoisuudelle kuin sen loputtomille monimutkaisuuksille.

Tämä näkökulma mahdollistaa yhden tämän päivän tieteellisesti vaikeimman haasteen toteuttamisen; aivojen ymmärtämisen monimutkaisena ja monimuotoisena järjestelmänä. Tämä on tehtävä, jolle tällainen simulaatioon turvautuva neurotiede on äärimmäisen tärkeää.

Yllättävä yksityiskohta, jolla aivojen hermosolujen mallinnus toimii tässä projektissa, voisi viime kädessä merkitä aivojen simulaation rakentamista molekyylitasolla. Tämä taas puolestaan ​​avaisi ovet geeniekspression tutkimiseen. Tutkimuksesta saatujen kliinisten etujen odotetaan olevan ennennäkemättömiä.

Blue Brain -projektin lyhyt historia

  • 2005: Projektin historian ensimmäinen solumalli valmistuu.
  • 2008: Ensimmäinen 10 000 solusta koostuva aivokuoren hermosoluja kuvaava keinotekoinen malli rakennetaan.
  • 2011: Edellisen mallin solumäärä saadaan moninkertaistettua yhteensä miljoonaan soluun.
  • 2014: Tutkijaryhmä onnistuu jälleenrakentamaan keinotekoisesti rotan aivot solutasolla.
  • 2023: Tähän vuoteen mennessä hankkeen tarkoituksena on suunnitella kokonainen ihmisen aivojen jälleenrakentaminen, joka sisältää yhteensä 100 miljardia solua.
Jos Blue Brain -projekti onnistuu, se voi saada neuroanatomiassa aikaan historiallisia muutoksia

Miksi nähdä näin paljon vaivaa?

Kuten yllä jo mainittiin, näin syvä tuntemus ihmisen aivoista auttaa tuottamaan lukuisia kliinisiä etuja. Projektin viimeisin tarkoitus piiloutuu kuitenkin sen kaikkein käytännöllisimmän puolen kätköihin, ja nostaa esille monien mielikuvituksessa vieläkin enemmän mysteereitä.

Yksi näistä mysteereistä on se, että purkamalla ihmisaivojen osien mutkikasta toimintaa, voitaisiin ihmisen tietoisuuden määrittelemisessä periaatteessa saavuttaa enemmän kuin vain teoreettinen ymmärrys. Tämä on päämäärä, johon sadat ja tuhannet tutkijat ja filosofit ovat kietoutuneet koko ihmiskunnan historian ajan.

Kuin alkusoittona kaikille näille tuleville jännittäville löydöille, Blue Brain -projekti julkaisi viime vuonna ensimmäisen 3D-tekniikkaa hyödyntävän digitaalisen hermosolukartaston, joka tarjoaa tietoa erilaisista aivosolutyypeistä sekä niiden määrästä ja sijainnista yhteensä 737 aivojen eri alueella. 

Siirtyminen klassisesta neuroanatomian kovakantisesta käsikirjasta ja sen kaksiulotteisista piirrustuksista tämän tyyppiseen 3D-kartastoon on ollut vähintäänkin valtava askel koko ihmiskunnan tulevaisuudelle.

  • Schonberg T, Fox CR, Poldrack RA (2011) Mind the gap: bridging economic and naturalistic risk-taking with cognitive neuroscience. Trends Cogn Sci 15: 11–19.
  • Vorhold V (2008) The neuronal substrate of risky choice: an insight into the contributions of neuroimaging to the understanding of theories on decision making under risk. Ann N Y Acad Sci 1128: 41–52.