Hjernebarken er et kompliceret system, vi meget gerne vil være bedre til at kunne forstå. At forstå hvordan hjernen ser ud og fungerer er meget vigtigt. Ikke kun fordi man derved kan forstå de biologiske mekanismer, der står bag de tanker og følelser der gør os til mennesker. Men også fordi det derved bliver nemmere at finde behandlingsmuligheder for sygdomme i hjernen.
Den bedste måde vi kan forstå et kompliceret system, er ved at bygge det. Det er netop hvad Blue Brain Project handler om. Her forsøger man at analysere hjernen og lave et digitalt kort over hjernen. I første omgang hjernen fra en rotte og på længere sigt menneskets hjerne.
I de første 10 år studerede de hvordan neuronerne i hjernen så ud, hvor mange forskellige typer der var og hvordan deres anatomiske opbygning var. Her kiggede man på celledensiteten, antallet af forskellige celletyper, morfologien af cellerne, hvilke forbindelser danner de samt anatomien, fysiologien og elektrofysiologien af neuroner og genekspressionen.
I de næste 10 år fokuserede de på at skrive algoritmer og lave et software økosystem, der tog den data de havde indsamlet og lavede en digital rekonstruktion af hjernen.
Denne kortlægning er kun muligt ved hjælp af den enorme kapacitet vi har ved supercomputere i dag. Hvis man skal kunne simulere biofysikken bag de mange neuroner, skal der løses flere milliarder ligninger og dette er kun muligt med en supercomputer.
I dette projekt blev der anvendt en IBM BlueGene/Q supercomputer der havde 65.536 processorkerner. Dette skal sammenlignes med en almindelig pc der typisk har et sted mellem 1-8 processorkerner.

Rekonstruktion af neuronernes morfologi

Først lavede man en rekonstruktion af neuronernes placering og form i forhold til hinanden. Dette gjorde man udfra den viden omkring deres celledensiteter og fordelingen af celler. En algoritme sikrer at placeringen af axoner og dendritter svarede til opbygningen af hjernebarken.

Rekonstruktion af synapserne

Så skulle man rekonstruere hvordan synapserne mellem neuronerne så ud. Først var man nødt til at finde ud af hvor neuronerne rører ved hinanden. Hver af disse steder kan der potentielt være en synapse. Tætheden af disse potentielle synapser var meget højere end den tæthed vi kan forvente af funktionelle synapser. Derfor ved vi at ikke alle steder hvor neuronerne rører ved hinanden er der en funktionel synapse.
Ved at sammenligne dette fund med eksperimentelle data, kunne man derved regne ud hvor henne de funktionelle synapser var henne og dermed rekonstruere disse.

Rekonstruktion af det neurale fyringsmønster

Så ville man rekonstruere hvordan det neurale fyringsmønster foregik. I projektet karakteriserede man 11 forskellige celletyper, der hver har deres eget elektriske fyringsmønster.
Dette fyringsmønster skulle så modeleres matematisk. Man anvendte en udvidet version af Hodgkin-Huxley ligningen til at danne en simulation over hvordan cellerne var aktive. Når man kombinerede disse ting fik man et billede over den elektriske aktivitet.
I projektet har man kunnet simulere over 2000 forskellige synapsetyper, hvoraf kun omkring 20 indtil videre har været undersøgt eksperimentelt. Man får altså med dette hjerneatlas en meget større forståelse for hvordan hjernen fungerer.
Der blev udviklet omkring 30 software værktøjer, for at kunne gennemføre dette projekt.
Nu har man altså et atlas over hvordan hjernens neuroner ser ud i hjernebarken. Man kan så udvide dette og undersøge hjernens ekstracellulærvæske, gap junctions, blodkar osv.