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Gehirnkarte mit verschieden eingefärbten Gehirnarealen

Die Zukunft der Kopfkarten

Die Kartierung des menschlichen Gehirns ist eine Mammutaufgabe, der sich Wissenschaftler seit Generationen widmen. Durch modernste Methoden gelingt das inzwischen mit mikroskopischer Auflösung in 3-D. Ein Team um die Neurowissenschaftlerin Katrin Amunts etwa hat ein komplettes Gehirn in 7.400 Scheiben geschnitten und abgelichtet.

Technologiegespräche Alpbach 21.08.2014

Wer sich mit dem Denkorgan des Menschen beschäftigt, stößt schnell an die Grenzen des Vorstellbaren: Hundert Milliarden Nervenzellen formen darin ein Geflecht mit durchschnittlich tausend Berührungspunkten pro Zelle - die Zahl aller Synapsen in einem menschlichen Gehirn hat vierzehn Nullen. Dieses Dickicht an Neuronen zu entwirren, gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben, denen man sich in den Naturwissenschaften stellen kann.

Katrin Amunts, Direktorin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin am Forschungszentrum Jülich, hat diese Herausforderung angenommen. In den Technologiegesprächen des Forum Alpbach 2014 berichtet sie über ihre Forschungsergebnisse und die Zukunft der Hirnforschung.

Zur Person:

Katrin Amunts bei ihrem Vortrag in Alpbach

Hans Leitner/ORF

Katrin Amunts ist Direktorin des C. und O. Vogt-Instituts für Hirnforschung an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und Direktorin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin am Forschungszentrum Jülich. Sie befasst sich mit der strukturellen und funktionellen Organisation des Gehirns und hat gemeinsam mit ihren Kollegen einen Hirnatlas entwickelt, der probabilistische Hirnkarten der wissenschaftlichen Öffentlichkeit frei zugänglich macht.

Technologiegespräche Alpbach:

Von 21. bis 23. August finden im Rahmen des Europäischen Forums Alpbach die Technologiegespräche statt, organisiert vom Austrian Institute of Technology (AIT) und der Ö1-Wissenschaftsredaktion. Das Thema heuer lautet "Forschung und Innovation: At the crossroads". Katrin Amunts nimmt am Panel "Wir und unser Gehirn - Neurologische Forschung at the Crossroads " teil.

Links:

Ö1 Sendungshinweis:

Dem Thema widmet sich auch ein Beitrag im Dimensionen Magazin, 22.8., 19:05 Uhr.

"Verstehen, wo die Hauptbahnen im Gehirn verlaufen"

Schon zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts wurden erste Karten des Gehirns erstellt, die seinen Regionen bestimmte Aufgaben zuordnen - zu den bekanntesten zählen das Broca-Areal und das Wernicke-Zentrum, die für die Erzeugung und das Verständnis von Sprache zuständig sind. Die grobe räumliche Aufteilung der Hirnfunktionen zu beschreiben, ist Neurowissenschaftlern aber längst nicht mehr genug. Ihr Ziel: das menschliche Gehirn auf mikroskopischer Ebene zu durchleuchten.

"Wir würden als Anatomen gerne verstehen, wo die Hauptbahnen im Gehirn verlaufen, wie sie sich verzweigen, in welche Zellschichten sie gehen und wo die wichtigsten Verbindungen sind", sagt Katrin Amunts. "Darüber hinaus gibt es natürlich noch die Frage der Veränderungen während einer Lebensspanne, aber auch der Variabilität von Mensch zu Mensch."

Neurologischer Erkrankungen besser behandeln

Die Verbindungen der einzelnen Nervenzellen zu kennen, wäre einerseits für die Grundlagenforschung hochinteressant, so Amunts. Höhere kognitive Leistungen, wie die Entstehung von Sprache, oder die Verarbeitung von visuellen Informationen könnten damit besser verstanden werden. Doch auch für die Diagnose und Behandlung neurologischer Erkrankungen oder der Folge von Schlaganfällen sei es wichtig, die Verknüpfungen der betroffenen Neuronen zu kartieren.

"Wir wissen heute, dass auch psychische Erkrankungen in der Regel eine sehr klare, neurobiologische Basis haben. Insbesondere bei Schizophrenie sind vermutlich verschiedene Aspekte der Konnektivität gestört. Das fängt auf der molekularen Ebene von Neurotransmittern an, aber das betrifft sicher auch die synaptische Ebene."

Eine Frage der Auflösung

Kathrin Amunts bei ihrem Vortrag in Alpbach

Hans Leitner/ORF

Katrin Amunts bei ihrem Vortrag in Alpbach

Die verschiedenen Größenskalen, die man für ein vollständiges Konnektom - der Gesamtheit aller Nervenverbindungen eines Gehirns - erfassen müsste, machen die Aufgabe so schwierig: An jeder Synapse befinden sich unzählige Rezeptoren, die verschiedene Signalmoleküle binden können.

Wie viele davon vorhanden sind, und auf welche Neurotransmitter sie reagieren, kann sich dabei stark unterscheiden. Um die Weiterleitung eines Reizes von einer Nervenzelle zur nächsten exakt zu beschreiben, müsste man die genaue Zahl und Art aller Rezeptoren kennen - schon bei einer einzelnen Synapse eine derzeit kaum zu bewältigende Aufgabe.

Bis zu zweihundert verschiedene Hirnareale

Doch auch bei niedrigerer Auflösung lassen sich viele Fragestellungen beantworten, betont Amunts: "Wir kartieren seit mehr als zwanzig Jahren das menschliche Gehirn und versuchen, anhand von Unterschieden in der Mikrostruktur, Hirnrindenareale voneinander zu unterscheiden.

Aufgrund solcher struktureller Merkmale kann man bis zu zweihundert verschiedene Hirnareale definieren. Die unterscheiden sich aber von Mensch zu Mensch - unsere Karten erlauben Aussagen darüber, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, dass in einem ganz bestimmten Punkt des Hirnraumes ein bestimmtes Areal vorhanden ist."

Virtuelles Gehirn aus 7.400 Scheiben

Zu ihren größten Erfolgen gehört das sogenannte "Big Brain Projekt": Der Arbeitsgruppe um Katrin Amunts gelang es, ein komplettes Gehirn in 7.400 Scheiben zu schneiden und abzulichten. Am Computer konnten Sie mit diesen Bildern ein dreidimensionales Modell rekonstruieren.

Die histologische Verarbeitung, insbesondere das Schneiden von "BigBrain".

FZ Jülich

Die histologische Verarbeitung, das Schneiden von "BigBrain"

Der Aufwand dafür war enorm: "Jeder einzelne Schnitt musste auf einen Objektträger gezogen, gefärbt und digitalisiert werden. Von diesen digitalisierten Bildern mussten wir dann die Artefakte, die manchmal beim Färben oder beim Aufziehen entstehen, wieder herausrechnen. Das war ein sehr aufwendiger Prozess, aber am Ende stand eine dreidimensionale Rekonstruktion mit einer fast zellulären Auflösung von einem zwanzigtausendstel Millimeter."

Neue Methode auch für Nervenfasern geeignet

Ihre Ergebnisse publizierten die Forscher vergangenes Jahr in der Zeitschrift "Science", sie stehen der Wissenschaft seitdem auch über eine eigens eingerichtete Website zur Verfügung. Nie zuvor gab es einen Hirnatlas mit höherer Auflösung. Zwar lassen sich durch die Färbemethode die Verbindungen zwischen den Nervenzellen nur schlecht erkennen - aber auch daran arbeitet Amunts bereits:

"Die Nervenfasern versuchen wir jetzt in dieser räumlichen Auflösung mit Hilfe eines anderen Verfahrens, der Polarisationsbildgebung, zu analysieren. Das ist eine Methode, die wir hier in Jülich entwickelt haben und die absolut atemberaubende Erkenntnisse bringt. Sie erlaubt es erstmals, mit dieser Höchstauflösung Faserverbindungen durch das ganze menschliche Gehirn zu verfolgen."

Struktur und Funktion des Gehirns besser verstehen

Amunts arbeitet eng mit Neuropsychologen und Linguisten zusammen, um den mikroskopischen Strukturen auch kognitive Funktionen zuordnen zu können. Denn allein die Struktur des Gehirns gibt noch keine Auskunft über die Aufgaben, die es damit erfüllen kann.

Im Rahmen des "Human Brain Project", einem Großprojekt der Europäischen Kommission, soll so eine computergestützte funktionelle Simulation des kompletten menschlichen Gehirns entstehen, so Amunts.

"Wir werden einen Atlas entwickeln, in den Forscher überall auf der Welt ihre Ergebnisse integrieren, aber natürlich auch die Ergebnisse anderer Forscher abrufen können. Letztendlich hoffen wir so zu einem kompletteren Verständnis des menschlichen Gehirns beitragen zu können."

Wolfgang Däuble, Ö1 Wissenschaft

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