Jülich - 3D-Atlas des Gehirns: Bis auf die Zelle genau

3D-Atlas des Gehirns: Bis auf die Zelle genau

Von: Laura Beemelmanns
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Handwerk und Kunst für sich: So schneiden technische Assistentinnen das in Paraffin eingebettete Gehirn in einzelne Scheiben. Foto: Forschungszentrum Jülich

Jülich. Einen Blick ins menschliche Hirn werfen? Und das nicht nur auf die Oberfläche, sondern bis auf Zellebene? Das klingt unmöglich, ist dank jahrelanger Forschung nun jedoch für jedermann ein Leichtes – und zwar am heimischen Computer.

Rund ein Dutzend Wissenschaftler, darunter Informatiker und Physiker aus Deutschland und Kanada, haben die bislang detaillierteste Abbildung des menschlichen Hirns geschaffen, die es je gab. Sie ist dreidimensional, und es lassen sich zum ersten Mal große Zellen in den einzelnen Arealen des Gehirns erkennen. Damit das überhaupt möglich war, wurde das Gehirn einer 65-jährigen Frau verwendet. Sie hatte ihren Körper nach dem Tod der Wissenschaft zur Verfügung gestellt. Es wurde zunächst in Formalin eingelegt, um es haltbar zu machen und anschließend in Paraffin eingebettet, um die 7404 hauchdünnen Scheiben besser schneiden zu können – mit einem Mikrotom (Schneidegerät). Danach wurden sie eingefärbt.

„Die einzelnen Scheiben sind dünner als ein menschliches Haar und sehr empfindlich“, sagt Projektleiterin und Neurowissenschaftlerin Professor Katrin Amunts, die am Forschungszentrum Jülich und der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf tätig ist. „Das Schneiden ist eine handwerkliche Kunst, und es gibt nur eine Handvoll Labore, die so etwas in dieser Qualität machen können.“

Mit einem Flachbettscanner wurden die einzelnen Hirnschnitte eingescannt und dreidimensional rekonstruiert. Das klingt simpel, ist aber ein sehr aufwendiger Prozess, der sich über zehn Jahre hingezogen hat. Die Datenmenge liegt im Bereich von einem Terabyte, und zu Beginn des Projekts stand die Entwicklung der entsprechenden Software noch in den Sternen.

Die gigantische Datenmenge und die Komplexität der Aufgabe hätten das Projekt auch ebenso zum Scheitern bringen können. „Die Hirnschnitte können reißen oder Falten bilden und viele waren nach dem Schnitt verzerrt“, berichtet Amunts. Die „Fehler“ mussten herausgerechnet und die Software dazu noch entwickelt werden. Das hat seine Zeit gedauert.

Ohnehin „schien die Aufgabe zu Beginn utopisch“, sagt Amunts. „Es war ein Wagnis. Als wir mit dem Projekt begannen, waren die technischen Möglichkeiten noch lange nicht so weit, um die Datenmenge zu bearbeiten.“ Aber die Forscher sind das Wagnis eingegangen – und es hat funktioniert.

Die durch den Atlas geschaffenen Möglichkeiten lassen sich am besten am Beispiel einer Landkarte verdeutlichen: Auf der alten Karte konnte man bisher Straßen und Länder erkennen. Mehr nicht. So war es auch mit den Forschungen rund um das Gehirn. Die Karte, mit der viele Forscher arbeiteten, stammt laut Amunts von Korbinian Brodmann aus dem Jahr 1909. Er hatte damals eine schematische Karte der Hirnareale veröffentlicht. Jetzt bietet die Karte einen Blick über Länder und Straßen hinaus. Auf der neuen Landkarte lassen sich nun beispielsweise Häuser und deren Bewohner erkennen. Die neue Karte ist also viel genauer und bietet sowohl Forschern als auch Medizinern wiederum ausführlichere Informationen rund um das Gehirn.

Parkinson-Patienten

Das Modell soll nun Medizinern weltweit helfen. „Die Erkenntnisse sind wichtig für Grundlagenwissenschaftler, aber auch für klinische Anwendungen in der Neurologie, Neurochirurgie und Psychiatrie“, sagt Amunts. Bei tiefster Hirnstimulation – etwa bei Parkinson-Patienten – sei die exakte Platzierung der nur zwei Millimeter dicken Elektroden sehr wichtig. Die Atlanten, die man bisher dafür genommen hat, sind zum Teil sehr ungenau. Der 3D-Atlas ermöglicht nun sogar Einblicke, die auch bei neurologischen Erkrankungen wichtig werden können. All das Wissen ist im Internet für jedermann zugänglich.

Die Auflösung ist 50 Mal genauer als das, was es bislang in diesem Bereich gab. Man muss sich nur registrieren und kann sich die Bilder ansehen. „Die Zellen sind zwar noch etwas unscharf, aber wir sehen, wie dicht sie liegen und wie sie verteilt sind“, sagt Amunts. Man kann erkennen, in welchen Arealen des Gehirns sie liegen. Das ist wichtig, weil die Hirnareale für verschiedene Funktionen verantwortlich sind. Es besteht nun also die Möglichkeit, bis in den letzten Winkel des Gehirns zu schauen. Die Darstellung der Zellarchitektur soll helfen, wichtige Einblicke in Prozesse wie Kognition, Sprache oder etwa Emotionen zu bekommen. Die Wissenschaftler können jetzt messen und auswerten, wie Hirnareale gebaut sind und die Ergebnisse mit Daten von Patienten vergleichen, um Erkrankungen besser zu verstehen. Allerdings ist das 3D-Gehirn kein universell gültiges Modell. „Genau wie unser Aussehen, ist auch das Gehirn von Mensch zu Mensch unterschiedlich“, sagt Amunts. Deshalb müssen die Daten von verschiedenen Gehirnen miteinander kombiniert werden.

Weiter forschen

Es müssten also noch weitere Gehirne eingescannt werden, um allgemeingültige Schlüsse zu ziehen. Das ist trotz verbesserter Technik und der entsprechenden Software jedoch immer noch ein Prozess, der viel Zeit in Anspruch nehmen wird. Der 3D-Gehirn-Atlas wird zunächst eine wichtige Grundlage für weitere Forschungen sein.

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