H01-Rekonstruktion des menschlichen Gehirns schafft neue Einblicke

Ein Projekt im Nanomassstab markiert einen gewaltigen Fortschritt beim Verständnis des menschlichen Gehirns.

Aus mehr als 1,4 Petabyte an Bilddaten der Elektronenmikroskopie hat ein Forschungsteam einen winzigen würfelförmigen Abschnitt des menschlichen Gehirns rekonstruiert.

Der Würfel misst pro Seite lediglich einen Millimeter. Dennoch befinden sich in diesem mikroskopischen Raum 57.000 Zellen, 150 Millionen Synapsen und 230 Millimeter hauchfeiner Blutgefäße.

Die beinahe zehnjährige Arbeit ist bislang die größte und detaillierteste Darstellung des menschlichen Gehirns, die bis zur Auflösung einzelner Synapsen reicht – jener Strukturen, über die Neuronen Signale untereinander weitergeben.

„Das Wort ,Fragment‘ ist ironisch“, sagt der Neurowissenschafter Jeff Lichtman von der Harvard University. „Ein Terabyte ist für die meisten Menschen gigantisch, und doch umfasst ein Fragment eines menschlichen Gehirns – nur ein winziger, klitzekleiner Teil des menschlichen Gehirns – noch immer Tausende Terabyte.“

Warum das menschliche Gehirn so schwer zu erforschen ist

Das menschliche Gehirn gilt als außergewöhnlich komplex. Bei den meisten lebenswichtigen Organen erfüllen die Funktionen im Tierreich mehr oder weniger dieselben Aufgaben, doch das menschliche Gehirn spielt in einer eigenen Liga.

Zugleich lässt es sich nur schwer untersuchen: Auf extrem kleinen Ebenen laufen darin so viele Prozesse ab, dass die synaptischen Schaltkreise bislang nicht detailliert verstanden werden konnten.

Jedes menschliche Gehirn enthält Milliarden Neuronen, die über Billionen Synapsen fortlaufend Signale austauschen. Dieses Organ ist die Steuerzentrale, von der aus der menschliche Körper kontrolliert wird.

Ein tieferes Verständnis der Arbeitsweise dieses verblüffend komplizierten Organs könnte die Erforschung von Gehirnfunktionen und Erkrankungen erheblich voranbringen – von Verletzungen über psychische Erkrankungen bis hin zu Demenz.

Dafür arbeiten Lichtman und seine Kolleginnen und Kollegen an einem sogenannten „Konnektom“: einer Karte des Gehirns mitsamt seiner gesamten Verdrahtung. Sie soll helfen, besser zu erkennen, wann diese Verschaltungen gestört sind.

Das derzeitige Ziel des Konnektomik-Projekts besteht darin, ein vollständiges Mäusegehirn nachzubilden. Wenn ähnliche Verfahren zumindest auf Teile des menschlichen Gehirns angewandt werden, dürfte das Wissen jedoch noch rascher wachsen.

H01: Eine hochauflösende Rekonstruktion des menschlichen Gehirns

Die Rekonstruktion des Teams basiert auf einer Gehirnprobe, die einer Person mit Epilepsie während einer Operation entnommen wurde, bei der eine darunterliegende Läsion erreicht werden sollte. Die Probe wurde fixiert, mit Schwermetallen gefärbt, um Einzelheiten hervorzuheben, in Kunstharz eingebettet und in 5.019 Scheiben zerlegt. Diese wurden auf Klebeband gesammelt und wiesen eine durchschnittliche Dicke von 33,9 Nanometern auf.

Mithilfe hochdurchsatzfähiger serieller Schnitt-Elektronenmikroskopie erstellten die Forschenden von diesem winzigen Gewebestück Bilder in geradezu überwältigender Detailtiefe. Dabei entstanden 1,4 Petabyte (1.400 Terabyte) an Daten.

Spezialentwickelte Verfahren und Algorithmen werteten diese Daten aus. Nach Angaben des Forschungsteams entstand dadurch „eine 3D-Rekonstruktion nahezu jeder Zelle und jedes Zellfortsatzes im ausgerichteten Volumen“.

Die H01 genannte Rekonstruktion hat bereits zuvor unbeobachtete Feinstrukturen des menschlichen Gehirns sichtbar gemacht. Das Team stellte überrascht fest, dass Gliazellen beziehungsweise nicht-neuronale Zellen die Neuronen in der Probe im Verhältnis 2:1 überwogen. Den häufigsten Zelltyp bildeten Oligodendrozyten – Zellen, die Axone mit schützendem Myelin umhüllen helfen.

Jedes Neuron verfügte über Tausende vergleichsweise schwacher Verbindungen. Die Forschenden entdeckten jedoch seltene, starke Gruppen von Axonen, die über 50 Synapsen miteinander verbunden waren. Außerdem fanden sie eine kleine Zahl von Axonen, die zu ungewöhnlichen, weitläufigen Wirbeln angeordnet sind.

Da die Probe von einer Person mit Epilepsie stammt, bleibt offen, ob es sich um normale, aber seltene Merkmale des menschlichen Gehirns handelt oder ob sie mit der Erkrankung der Person zusammenhängen. Unabhängig davon zeigt die Arbeit, wie groß und tief die Wissenslücke beim Verständnis des Gehirns noch ist.

Nächste Schritte der Konnektomik-Forschung

Als Nächstes will das Team besser nachvollziehen, wie der Hippocampus der Maus entsteht – eine Gehirnregion, die stark an Lernen und Gedächtnis beteiligt ist.

„Wenn wir an einen Punkt gelangen, an dem die Untersuchung eines ganzen Mäusegehirns zur Routine wird, könnte man daran denken, dies beispielsweise bei Tiermodellen für Autismus zu tun“, erklärte Lichtman im vergangenen Jahr gegenüber der The Harvard Gazette.

„Es gibt eine Ebene des Verständnisses über Gehirne, die derzeit nicht existiert. Wir kennen die äußerlich sichtbaren Ausprägungen von Verhalten. Wir wissen von einigen Molekülen, die verändert sind. Doch dazwischen liegen die Schaltpläne, und bis jetzt gab es keine Möglichkeit, sie zu sehen. Jetzt gibt es eine.“

Die Forschung wurde in Science veröffentlicht. Die Daten und die Rekonstruktion von H01 sind auf einer eigenen Website frei zugänglich gemacht worden.