Die Vermessung des Gehirns
Wissenschaftler arbeiten am Forschungszentrum Jülich an weltweit einzigartigen Darstellungsverfahren des menschlichen Gehirns.
JÜLICH Markus Axer steht im Eingangsbereich des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin am Forschungszentrum Jülich, das mit rund 5800 Mitarbeitern zu den größten Forschungseinrichtungen Europas gehört. In seinen Händen hält er behutsam eine bräunlich gefärbte, runde Masse. „Ohne eine Präparierung mit Formaldehyd wäre dieses Gehirn eines 84-jährigen Mannes weiß und würde zwischen meinen Händen zerfließen“, erklärt der Diplom-Physiker. Die rund 1500 Kubikzentimeter Gewebe eines menschlichen Gehirns vereinen rund 100 Milliarden Neuronen. Über deren Vernetzung zueinander wisse man einiges, aber immer noch nicht viel, sagt Axer. „Dabei verbraucht so ein Gehirn weniger Energie als eine 60 Watt Glühbirne.“
Axer ist Leiter einer Arbeitsgruppe des Institutsbereichs „strukturelle und funktionelle Organisation des Gehirns“. Unter der wissenschaftlichen Direktion von Katrin Amunts beteiligt sich der Institutsbereich an einem weltweit einzigartigen interdisziplinären Forschungsvorhaben, dem „Human Brain Project“. Neurowissenschaftler, Ärzte, Informatiker, Physiker, Mathematiker und Computerspezialisten aus 112 renommierten wissenschaftlichen Einrichtungen sind in 19 EU-Ländern in das Projekt involviert. Ihre Mission: das Gehirn verstehen, so wie es noch niemand verstanden hat. Als besonders zukunftsrelevantes „Flagship-Project“wird das Vorhaben von der Europäischen Union unterstützt.
Denn es soll nicht nur dazu beitragen, die komplexen Vorgänge im Gehirn zu erfassen und Hirnerkrankungen besser diagnostizieren und therapieren zu können. Aus der Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn könnten auch neue Erkenntnisse für die Informationstechnologie abgeleitet werden. Das „Human Brain Project“könnte damit die Neurowissenschaften, Medizin und Computertechnologie revolutionieren.
Einer der Beiträge der Jülicher Forscher ist ein riesiger Datensatz, der Wissenschaftlern auf der ganzen Welt bereits als wichtiges Koordinatensystem dient. „Es geht darum, die Zytoarchitektur – das ist die Verteilung der Nervenzellkörper, quasi die Infrastruktur der Hirnrinde und Kerngebiete – in einer Auflösung von 20 Mikrometern virtuell zu rekonstruieren, und zwar in allen drei Raumdimensionen“, sagt Axer. Das 3D-Modell „BigBrain“soll als Maßstab eine zellarchitektonische Einteilung des Gehirns ersetzen, die der Psychiater Korbinian Brodmann im Jahr 1909 entworfen hat. Amunts und ihr Team erstellen virtuelle Gehirnatlanten, die es in Zukunft ermöglichen sollen, neuronale oder psychologische Erkrankungen auf Grundlage von strukturellen Abweichungen zu erschließen. „Denn das Gehirn ist ein Gebrauchsgegenstand“, sagt Axer. „Es verändert seine Struktur, wenn es anfängt, nicht mehr zu funktionieren.“Patientenbefunde könnten im klinischen Alltag also ganz einfach mit den Datensätzen des „BigBrain“verglichen werden und Rückschlüsse auf neurologische oder neurodegenerative Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer oder Schlaganfall in einem früheren Stadium zulassen.
Ihre Messwerte beziehen die Forscher von Gehirnen, die von Menschen stammen, die sich bereit erklärt haben, ihr Gehirn direkt nach dem Tod der Forschung zur Verfügung zu stellen. Tiergehirne – von Affen, Ratten und Mäusen – werden als Vergleichsgrößen einbezogen. Den Arbeiten des Instituts liegt ein Aufwand zugrunde, der sich als Laie wohl kaum ermessen lässt. Denn automatisierte Verfahren, die dazu dienen, das Gehirnmaterial zu erfassen und einzuscannen, sind derzeit noch nicht voll ausgebaut. Stattdessen wird diese Grundlagenarbeit fast vollständig von Hand erledigt. Im Keller des Forschungsinstituts zeigt Axer auf eine Maschine, die einem Käsehobel gleicht. „Das gefrorene menschliche Gehirn wird von Institutsmitarbeitern zerschnitten, in 3000 bis 7000 hauchdünne Scheiben, jeweils knapp 20 Mikrometer breit“, sagt er. Das entspreche in etwa einem Drittel einer Haaresbreite. Mit Hilfe von Mikroskopen und modernen Bildauswertungsmethoden werten die Forscher die Gehirnschnitte statistisch aus. In fünf Jahren ist man in Jülich zu einer beispiellosen Einteilung von 200 Gehirnarealen gelangt, also von gut 70 Prozent des gesamten Gehirns.
Um die Darstellungsmöglichkeiten der Gehirnareale zu optimieren, arbeiten die Jülicher Forscher parallel an alternativen Bildgebungsverfahren, die mikroskopisch noch genauer sind. „Ziel ist eine räumliche Auflösung von bis auf einen Mikrometer genau“, erklärt Sebastian Bludau, „also in der Größe einer Nervenzelle.“Der Diplom-Biologe ist zuständig für die Kartierung der „Area 10 des menschlichen Frontportals“, ein Gehirnareal, das verantwortlich ist für kognitive Funktionen wie die Planung zukünftiger Aktionen und die Fähigkeit, Analogien zu bilden. Um sichtbar zu machen, in welche Richtungen die Nervenfasern dieses Gehirnareals verlaufen und wie genau sie miteinander verknüpft sind, gibt es beispielsweise die „3D-Polarized Light Imaging“-Methode. Positioniert man einen Hirn-Gewebeschnitt zwischen zwei Polarisationsfiltern, kann durch richtungsgelenktes Licht eine doppelte Lichtbrechung erzeugt werden, die eine einzigartige Darstellung der Faserbahnarchitektur ermöglicht. Auf den Computer gescannt und mit entsprechender Software bearbeitet, werden Richtung und Verlauf einzelner Nervenfasern und ganzer Faserbündel in einem bunten Lichterspiel farblich hervorgehoben. „Es entstehen auf diesem Weg mikroskopisch genaue Bilder, die auch mittels MR-Bildgebung niemals sichtbar wären“, sagt Axer, während er auf dem Bildschirm eine Vielzahl an Bildern durchblättert, die aussehen wie psychedelische Kunst. In über 15 Jahren haben die Forscher auf diesem Wege 7400 zellkörpergefärbte, digitalisierte Gewebeschnitte am Computer ausgewertet und rekonstruiert.
Die Forschung in Jülich hat mit einigen Hindernissen zu kämpfen: Für die vollständige Verarbeitung und Erfassung der Gehirnschnitte im „BigBrain“haben die Forscher aufgrund des technischen und personellen Aufwands knapp sieben Jahre gebraucht. „Außerdem sind derzeitige Computer mit der Verarbeitung und Analyse der gewaltigen Datenmenge, die so ein Projekt liefert, überlastet. Es handelt sich immerhin um 2,5 Petabyte an Daten pro Jahr, acht Terabyte pro Tag, die verarbeitet werden müssen“, sagt Bludau. Um dieses Problem zu lösen, arbeiten im Forschungszentrum Experten mit Kooperationspartnern an neuen Speichervolumen. „Für neue, rechenintensive Analysemethoden, die uns unter anderem bei der Kartierung der Hirnrinde helfen sollen, sind wir auf die nächste Generation an Supercomputern, sogenanntes Exascale Computing, angewiesen“, erklärt Axer. Für ein weiteres Problem ist die Lösung bereits gefunden: Herkömmliche Klebstoffe reichen nicht aus, um die Gehirnschnitte in der „3D-Polarized-Light-Imaging“-Methode vollständig zu versiegeln. „Mit Nagellack funktioniert’s“, sagt Axer und zeigt auf eine Schublade voll mit bunten Fläschchen.