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Big Brain ermöglicht Zoom im Gehirn

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Big Brain ermöglicht Zoom im Gehirn

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Tiefe Einblicke in die menschliche Schaltzentrale – das ist das Ergebnis aus fünf Jahren Arbeit kanadischer und deutscher Wissenschaftler, die ihre Erkenntnisse kürzlich in der Zeitschrit “Science” vorstellten.

Ihr virtuelles dreidimensionales Gehirn basiert auf Informationen aus über 7400 Gewebeschnitten mit einer Dicke von nur 20 Mikrometern, die aus einem menschlichen Gehirn gewonnen wurden.

Jeder einzelne Gewebeschnitt wurde im Forschungszentrum Jülich eingescannt und anschließend dreidimensional an Großrechnern rekonstruiert.

Neurowissenschaftlerin Katrin Amunts:
„Das Big Brain ist ein dreidimensionaler Atlas des menschlichen Gehirns mit mikroskopischer Auflösung. Wir haben dazu mehr als siebeneinhalbtausend histologische Schnitte eines menschlichen Gehirns angefertigt, die dann dreidimensional rekonstruiert, das heißt, man hat dann zum Schluss wieder ein Volumen und kann sich in diesem Volumen bewegen. Ähnlich eigentlich, wie man das auch in Google Earth hat. Da kann man ja auch reinzoomen in bestimmte Städte, sich bestimmte Straßen angucken. Ganz ähnlich ist das auch mit dem Hirnatlas.”

Dieser Hirnaltlas gewährt Einblicke mit einer Auflösung von 20 Mikrometern – das entspricht etwa der Größe einer Nervenzelle oder weniger als der Hälfte eines Haardurchmessers.

Damit können die Forscher nun in funktionellen Hirnarealen wie etwa der motorischen Rinde oder einer Region, die für Lernen und Gedächtnis wichtig ist, neue Einsichten in deren normalen Aufbau gewinnen.

“Wir können zum Beispiel sehr, sehr genau die Oberfläche und die kortikale Dicke oder Rindendicke messen. Das sind Parameter, die für neurodegenerative Erkrankungen wichtig sind. Oder wir haben eben Informationen darüber, wie die Zellverteilung in bestimmten Regionen ist und es gibt sehr, sehr kleine Läsionen, also Schädigungen im Gehirn, wo es sehr wichtig ist, nicht nur wie es im Kern der Läsion aussieht, sondern auch noch an der sogenannten Penumbra, und da sind eben solche detaillierten Informationen wichtig, also Schlaganfallpatienten würden da zum Beispiel auch reinfallen.”

Erstmals ist es nun möglich, die komplizierte Struktur des Gehirns in allen drei Ebenen des Raums auf mikroskopischer Ebene zu sehen und zu verstehen und Hypothesen zu prüfen.

Das kostenlose Modell, das 50 Mal genauer ist als bisherige, soll zudem als Gerüst dienen, in das künftige Erkenntnisse eingearbeitet werden können.

„Wir hoffen, dass dieses menschliche Hirnmodell ein Referenzsystem sein wird, das heißt andere Daten, die zum Beispiel über die Funktion des Gehirns gewonnen werden oder über die Verteilung von Rezeptoren oder über Genexpressionen, die können dann in dieses Hirnmodell integriert werden. Zweitens erhoffen wir uns, auf diesem Gehirn Analysen zu errechnen, zum Beispiel wie groß die Zellpackungsdichte in verschiedenen Hirnregionen ist. Solche Parameter werden auch genutzt, um letztendlich Modellierung und Simulation am Gehirn zu ermöglichen und das ist ja etwas, was wir im Human Brain Project zum Beispiel auch vorhaben.”

An dem Großprojekt sind Forscher und Forscherinnen aus über 80 wissenschaftlichen Einrichtungen in 23 Ländern beteiligt. Sie haben das Ziel, innerhalb von zehn Jahren das komplette menschliche Gehirn von der molekularen Ebene bis hin zur Interaktion ganzer Hirnregionen auf einem Supercomputer der Zukunft zu simulieren.