Forschung

Neuer Atlas zeigt das Gehirn 50-mal genauer

Erstmals lässt sich unser Denkorgan dreidimensional auf mikroskopischer Ebene betrachten. Das könnte zum Beispiel Medizinern helfen

Jülich. Ausgerechnet jenes Organ, das den Menschen zu immer neuen Leistungen antreibt und ihn schon so viele Probleme hat lösen lassen, ist immer noch rätselhaft, zumindest in weiten Teilen. Wie rechnet das Gehirn? Denken Frauen und Männer unterschiedlich? Wodurch entstehen Krankheiten wie Alzheimer? Alles unklar. Es ist ein bisschen wie mit dem Blick ins Universum, wo auch vieles sichtbar ist, aber deshalb noch lange nicht verstanden, nur dass es hier um einen geistigen Kosmos geht, komprimiert in einem grauweißen, 1200 bis 1400 Gramm leichten Gebilde, zusammengesetzt aus schätzungsweise 100 Milliarden Nervenzellen.

Auf der Grundlage von anatomischen Untersuchungen und Hirnscans haben Forscher bereits etliche Computermodelle erstellt, die verschiedene Areale unseres Denkorgans abbilden, allerdings makroskopisch, also mit einer Auflösung, die Strukturen erfasst, die noch mit dem bloßen Auge sichtbar sind. 50-mal kleinere Details soll nun ein dreidimensionales Hirnmodell zeigen, über das ein deutsch-kanadisches Forscherteam im Journal „Science“ berichtet: Mit BigBrain, so der Name des Modells, sei es erstmals möglich, die Struktur des gesamten Gehirns auf mikroskopischer Ebene zu betrachten, mit einer Auflösung von 20 Mikrometern (0,02 Millimeter). Das entspricht etwa der Größe einer Nervenzelle. Fünf Jahre hätten sie an dem Projekt gearbeitet, schreiben die Forscher um die Neurowissenschaftlerin Katrin Amunts, die für das Forschungszentrum Jülich und die Universität Düsseldorf arbeitet.

Für den 3-D-Atlas schnitten Forscher das konservierte Hirn einer verstorbenen 65-jährigen Toten mit einem speziellen Messer in mehr als 7400 Scheiben, jede dünner als ein Haar. Dann färbten sie die Gewebeproben ein, um die Umrisse der Zellkörper sichtbar zu machen, und scannten die Präparate. Aus den digitalen Daten erstellten die Forscher anschließend mit Supercomputern in Jülich und Montreal das neue Hirnmodell. Eindrücke davon vermittelt ein Video: Während ein Quer- und Längsschnitt des Gehirns eingeblendet wird, der sich Stück für Stück verschiebt, zeigen drei weitere Einblendungen die jeweiligen Areale auf der Ebene der Zellen. „Die Zellen sind zwar noch etwas unscharf, aber wir sehen, wie dicht sie liegen und wie sie verteilt sind. Wir sehen bis in den letzten Winkel des Gehirns“, sagt Katrin Amunts.

Was aber bringt das?

Durch bildgebende Verfahren wie die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) können Forscher dem Gehirn oberflächlich bei der Arbeit zuschauen: Während ein Proband Bewegungen ausführt, ein Bild betrachtet oder sich neue Informationen merken soll, zeigen die Scanner, welche Hirnregion gerade aktiv ist. Relativ genau bekannt ist deshalb, welche Aufgaben die verschiedenen Strukturen erfüllen: Das Kleinhirn etwa ist maßgeblich für Bewegungen und Gleichgewicht verantwortlich, der Hypothalamus steuert unter anderem den Schlafwachrhythmus, für das Wissensgedächtnis, das neue Informationen speichert, ist der Hippokampus verantwortlich. Weil die Hirnscans aber nur bis zu ein Millimeter große Details erfassen, ist erst ansatzweise klar, wie die Hirnregionen auf zellulärer Ebene arbeiten und kommunizieren. Anatomische Studien wiederum können zwar die Cytoarchitektur, also die Zusammensetzung der Zellen zeigen, aber nicht deren Aktivität.

Mit der neuen Software, die frei zugänglich ist, ließen sich beide Ansätze besser als je zuvor verbinden, sagt Katrin Amunts: „BigBrain kann als Referenzmodell dienen, in dem verschiedene Befunde aus der Hirnforschung verzeichnet werden.“ Der Fortschritt sei vergleichbar mit dem zwischen alten und neuen Atlanten: „Bisher waren nur Kontinente, Länder und Städte abgebildet, jetzt sehen wir auch Straßen und künftig vielleicht auch Häuser, Flüsse, Wälder und weitere Details.“

Diese Genauigkeit könnte etwa Medizinern helfen. Bei der Behandlung von Parkinson-Patienten sei für die tiefe Hirnstimulation die exakte Platzierung der nur zwei Millimeter dicken Elektroden wichtig, sagt Amunts. „Die Atlanten, die man dafür nimmt, sind zum Teil sehr ungenau.“ Vor allem aber solle der neue Atlas die Neurowissenschaften voranbringen. So könnte das Modell Referenzwerte vorgeben, an denen sich Forscher zum Beispiel orientieren könnten, wenn sie per MRT die Dicke der Hirnrinde an verschiedenen Stellen messen, die sich bei degenerativen Erkrankungen verändert. Auch könnte es gelingen, genauere Bezüge zwischen der Aktivität in verschiedenen Hirnregionen und der Zusammensetzung der Zellen dort herzustellen.

Diesen Ansatz finden auch andere Forscher interessant. „Wenn wir bei fMRT-Aufnahmen bestimmte Aktivierungen sehen, wäre es spannend, sich die jeweiligen Strukturen genauer als bisher anschauen zu können“, sagt der Hamburger Hirnforscher Christian Büchel. Dies gelte besonders, wenn ein genauerer Vergleich zwischen kranken und gesunden Arealen möglich wäre. Noch mehr bringen würde es allerdings, wenn in einem solchen 3-D-Modell auch in jedem Areal die Funktionen der Zellen unterscheidbar wären, also etwa einzelne Rezeptoren dargestellt würden, an die Botenstoffe andocken. Denn bestimmte Botenstoffe spielen eine wichtige Rolle bei einigen psychischen und neurologischen Erkrankungen.

Zudem gibt Büchel zu bedenken: „Es handelt sich bei dem neuen Atlas um ein Modell von nur einem Gehirn. Die Furchen des Großhirns sind aber von Mensch zu Mensch verschieden. Die Struktur eines Gehirns als Referenz zu nehmen, ist mit Fehlern behaftet.“

Tatsächlich würden in dem neuen 3-D-Atlas bisher keine einzelnen Rezeptoren unterschieden, sagt Katrin Amunts. Um diese zu erfassen, müssten dickere Scheiben hergestellt werden, die dann wiederum schichtweise untersucht werden müssten. Bisher sei dies in Jülich nur für einzelne Areale gemacht worden. Künftig sollten aber noch weitere Gehirne zerschnitten und digitalisiert werden, um den von Büchel angesprochenen Unterschied zwischen Gehirnen gerecht zu werden.

Wie weit das helfen wird, die Kommunikation zwischen den Nervenzellen im Gehirn besser zu verstehen, ist offen. Zunächst wird es wohl weitergehen wie bisher – in kleinen Schritten.

Ein Video zu dem neuen 3-D-Gehirnmodell: finden Sie hier.