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Forschung im Kopf
Die Vermessung des Hirns

Seit über 100 Jahren versuchen Wissenschaftler eine Karte zu erstellen, die das Gehirn in sinnvolle Einheiten gliedert. Eine schwierige Aufgabe, bei der amerikanische Wissenschaftler jetzt einen Durchbruch erreicht haben.

Von Anneke Meyer | 22.07.2016

    Eine Computersimulation des menschlichen Gehirns mit roten bis blauen Flächen. Je rötlicher ein Areal, desto mehr Myelin ("weiße Substanz") gibt es dort.
    Verteilung des Myelingehalts ("weiße Substanz") im menschlichen Gehirn. Je rötlicher das Areal, desto mehr Myelin gibt es dort. (Nature / Matthew F. Glasser, David C. Van Essen)
    Als Christopher Kolumbus 1492 die Küste San Salvadors erreichte, war er sich sicher in Asien gelandet zu sein. Hätte er wie Amerigo Vespucci zehn Jahre später die Küstenlinie kartiert wäre ihm sein Fehler aufgefallen. "Zu wissen wo wir sind, ist nur eine von vielen Fragen, die man mit Karten beantworten kann", meint David van Essen. Seine Entdeckungsreisen haben ihn schon mehr als einmal in unbekannte Regionen geführt und das ganz ohne die Weltmeere zu besegeln. Seit über vierzig Jahren erstellt der Wissenschaftler von der Washington University, Saint Louis Karten, die helfen sollen Struktur und Funktion des Gehirns besser zu versehen.
    "Ich denke tatsächlich oft darüber nach, wie ähnlich sich Landkarten und Hirnkarten sind. Die frühen Karten des Gehirns sind wie die Landkarten aus der Zeit der großen Entdecker als man begann die Welt zu erforschen. Einzelne Stellen sind sie sehr genau. Das meiste sind aber weiße Flecken oder grobe Beschreibungen von sehr komplizierten Zusammenhängen."
    Rund hundert Jahre ist es her, dass der Deutsche Neuroanatom Korbinan Brodmann den Grundstein für die Hirnkartographie legte. Er beschrieb Unterschiede in der Zusammensetzung der Zellarchitektur und unterteilte das Gehirn so in zweiundfünfzig Areale. Seitdem sind viele andere Karten erstellt worden, die auf einer anderen Eigenschaft beruhen, detailliertere oder abweichende Aufteilungen vorschlagen. Wie und in wie viele sinnvolle Einheiten das Gehirn unterteilt werden kann, ist ein Rätsel geblieben. Auf Brodmanns Areale wird bis heute immer wieder verwiesen. Eine Karte aus der Epoche der großen Entdecker als Navigationshilfe im 21. Jahrhundert?
    Neue Karte mit neuen Eigenschaften
    Zeit neue Standards zu setzen, meint Matthew Glasser ebenfalls von der Washington University. Gemeinsam mit David van Essen und Kollegen stellt er in der aktuellen Ausgabe von Nature eine neue Karte des Gehirns vor. Anders als alle bisherigen Karten unterteilt sie das Gehirn nicht aufgrund einer einzigen Eigenschaft.
    "Wir haben jetzt eine Karte erstellt, die mehrere Eigenschaften gleichzeitig berücksichtigt: Zellstruktur, Funktion, Verbindungsstärken und Topographie. Dadurch haben wir mehr Areale gefunden als mit jeder einzelnen Eigenschaft alleine möglich gewesen wäre. Gleichzeitig hat die Veränderung von mehr als einer Eigenschaft die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass wir die Grenzen richtig legen."
    Grafische Animation des Gehirns nach Glasser
    Grafische Animation des Gehirns nach Glasser (Nature)
    Möglich wurde diese detaillierte Analyse, weil die Wissenschaftler auf die Daten eines amerikanischen Großprojekts zurückgreifen konnten. Für das "Human Connectome Project" wurden in den letzten Jahren 420 junge, gesunde Erwachsene im Magnetresonanztomografen gescannt. Die Hälfte dieser Daten benutzen Matthew Glasser und David van Essen um ein Standard-Gehirn zu berechnen, das als Grundlage für die Kartierung diente. Anhand der übrigen 210 Datensätze überprüften sie ihr Ergebnis. Sie fütterten einen Computeralgorithmus mit Beschreibungen jedes einzelnen gefundenen Areals. Auf dieser Grundlage konnte der Computer die Karte in jedem einzelnen Gehirn rekonstruieren.
    Unterteilung des Kortex in 360 Areale
    Mit dem multi-modalen Ansatz kamen sie auf eine Unterteilung des Kortex in 360 Areale. Rund 200 mehr als man bislang kannte. Quasi eine Landkarte die nicht nur Nationen, sondern auch Bundesländer berücksichtigt.
    Über die Funktion dieser neu umrissenen Hirnbereiche lässt sich damit allerdings erst mal nicht viel sagen.
    "Das ist tatsächlich etwas das es in der Zukunft herauszufinden gilt. Aber es ist auch genau das, woran Neurowissenschaftler schon lange arbeiten. Nur gab es bisher keine Möglichkeit die Orte einheitlich zu bezeichnen. Die Hoffnung ist, dass diese Karte es einfacher machen wird Vergleiche zwischen unterschiedlichen Studien zu ziehen und dadurch schneller zu verstehen was diese Areale so machen."
    Simon Eickhoff ist einer der Wissenschaftler, die zum besseren Verständnis der neubeschriebenen Areale beitragen könnte. Der Professor der Universität Düsseldorf hat die Veröffentlichung von Glasser und Kollegen in Nature kommentiert. "Eine Arbeit die ihres gleichen sucht", lautet sein Urteil. Bedeutend genug um sich dafür sogar auf dem Weg in den Urlaub zu Wort zu melden: "Wir haben das Gehirn nicht mal Ansatzweise verstanden. Diese Karte liefert einen wichtigen Baustein dazu es besser zu verstehen."
    Endgültige Anzahl von funktionellen Einheiten weiter offen
    Einen Baustein, aber nicht das unumstößliche Fundament. Bei aller Hochachtung für die umfassende Arbeit seiner Kollegen. Simon Eickhoff gibt zu bedenken, dass die Glasser Areale ebenso wenig die Ultima Ratio sein werden, wie die Brodmann Areale es waren. Das Gehirn lässt sich durch deutlich mehr als vier Eigenschaften beschreiben. Dementsprechend ist die endgültige Anzahl von funktionellen Einheiten weiter offen.
    Einen Anspruch auf Endgültigkeit erhebt aber auch David van Essen nicht.
    "Ich denke was wir jetzt haben ist etwa auf dem Stand einer Landkarte des Neunzehnten Jahrhunderts. Wir haben die Grenzen vieler kortikalern Areale beschrieben. Das ist etwa so wie Ländergrenzen zu ziehen. Wenn man aber an so was wie Google-Maps denkt – davon sind wir ewig weit entfernt."