In der neuesten Ausgabe von Science erläutern Katrin Amunts und Thomas Lippert, warum Fortschritte in den Neurowissenschaften eng mit den Entwicklungen im Hochleistungsrechnen verbunden sind und letztlich Supercomputer mit Exascale-Rechenleistung benötigen.

"Um das Gehirn in seiner Komplexität zu verstehen, braucht es Erkenntnisse auf mehreren Ebenen - von der Genomik über Zellen und Synapsen bis hin zum gesamten Organ. Das geht mit sehr großen Datenmengen einher und Supercomputing wird zu einem unverzichtbaren Werkzeug, um das Gehirn zu erforschen", sagt Katrin Amunts, wissenschaftliche Leiterin des Human Brain Project (HBP), Direktorin des C. und O. Vogt-Instituts für Hirnforschung, Universitätsklinikum Düsseldorf und Direktorin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) am Forschungszentrum Jülich.

"Es ist eine spannende Zeit für das Supercomputing", sagt Thomas Lippert, Direktor des Jülich Supercomputing Centre und Leiter des Supercomputing im Human Brain Project. "Wir erhalten viele neue Anfragen von Forschenden aus den Neurowissenschaften, die leistungsstarke Rechner benötigen, um die Komplexität des Gehirns zu adressieren. Als Antwort darauf entwickeln wir neue Werkzeuge, die auf die Erforschung des Gehirns zugeschnitten sind."

Das menschliche Gehirn enthält etwa 86 Milliarden Neuronen, die Billionen von Kontaktpunkte bilden. Die Abbildung eines ganzen Gehirns mit zellulärer Auflösung erzeugt Daten in der Größenordnung von mehreren Petabyte, was mehreren 10 hoch 15 Byte oder der Speicherkapazität mehrerer Tausend Festplatten entspricht; die Elektronenmikroskopie eines ganzen Gehirns würde dagegen mehr als ein Exabyte an Daten ergeben, also 10 hoch 18 Byte, was einer Steigerung um etwa den Faktor 1000 gleichkommt. "Hirnforschung, Medizin und Informationstechnologien stehen vor Herausforderungen, die nur durch die enge Zusammenarbeit aller drei Bereiche bewältigt werden können", sagt Amunts.

In Europa wurde im Rahmen des Human Brain Project die Forschungsinfrastruktur EBRAINS aufgebaut. Sie bietet Hirnforschern eine Reihe von Werkzeugen, Daten- und Rechendiensten. Dazu gehört auch der Zugang zu Supercomputing-Systemen des FENIX-Netzwerks der EU. Dieses wurde von Europas führenden Supercomputing-Zentren als Teil des Human Brain Project eingerichtet und dient nicht nur der Hirnforschung, sondern steht Forschenden aus allen Bereichen der Lebenswissenschaften offen.

Innerhalb der nächsten fünf Jahre will Europa seine ersten beiden Exascale-Supercomputer einsetzen. Dies wird vom European High Performance Computing Joint Undertaking (EuroHPC JU) koordiniert, einer gemeinsamen Initiative der EU, europäischer Länder und privater Partner. "Die Hirnforschung steht bereit, diese Exascale-Systeme zu nutzen", sagt Amunts.

Originalpublikation:
Brain research challenges supercomputingKatrin Amunts and Thomas LippertScience (published online 25 Nov 2021), DOI: 10.1126/science.abl8519