Forscher entwickeln exaktes Modell des menschlichen Gehirns

Ein dreidimensionales Modell namens „BigBrain“ liefert eine Abbildung des Gehirns in nie dagewesener Detailtreue. Die neu gewonnen Einblicke in die menschliche Schaltzentrale sollen die Diagnose von neurodegenerativen Erkrankungen erleichtern.

Mit dem neuen Computermodell ist es nun erstmals möglich, den komplizierten Aufbau des Gehirns dreidimensional und unter mikroskopischer Genauigkeit zu sehen und zu verstehen. Einblicke mit einer Auflösung von 20 Mikrometern – das entspricht etwa der Größe einer Nervenzelle oder weniger als der Hälfte eines Haardurchmessers – machen dies möglich. Fünf Jahre haben Forscher am Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin gemeinsam mit Kollegen aus Montreal an dem frei zugänglichen Modell gearbeitet.

„Das Modell hilft uns, neue Erkenntnisse über das gesunde, aber auch erkrankte Gehirn zu gewinnen“, sagt Katrin Amunts, Direktorin des Instituts. Beispielsweise sei die menschliche Hirnrinde aufgrund ihrer Entwicklung sehr stark gefaltet. Daher lasse sich die Dicke der Hirnrinde in einigen Arealen durch bildgebende Verfahren wie der Magnetresonanztomografie nur sehr ungenau bestimmen. Die Dicke der Hirnrinde verändert sich jedoch im Laufe des Lebens und auch bei neurodegenerativen Prozessen wie der Alzheimer’schen Erkrankung. „Mit Hilfe von BigBrain können wir nun in verschiedenen funktionellen Hirnarealen wie etwa der motorischen Rinde neue Einsichten in deren normalen Aufbau gewinnen und zahlreiche Strukturmerkmale messen“, so Amunts. Das soll dazu beitragen, Veränderungen in Patientengehirnen genau bestimmen und bewerten zu können.

Das virtuelle dreidimensionale Gehirn basiert auf Informationen aus über 7.400 Gewebeschnitten mit einer Dicke von nur 20 Mikrometern, die aus einem menschlichen Gehirn gewonnen wurden. Jeder einzelne Gewebeschnitt wurde im Forschungszentrum Jülich eingescannt und anschließend dreidimensional an Großrechnern rekonstruiert. „Die Verarbeitung der hauchdünnen, fragilen Gewebeproben ist extrem schwierig und aufwändig“, sagt Katrin Amunts. Es entstehen beim Schneiden der hauchdünnen Schnitte mitunter Risse oder Falten, die in den digitalisierten Schnitten mit Hilfe moderner Bildverarbeitungstools „repariert“ werden müssen. Um die riesigen Datensätze zu verarbeiten, dreidimensional zu rekonstruieren und im Detail auszuwerten, benötigten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler leistungsstarke Supercomputer.

Auch in ein noch umfangreicheres Projekt fließen die mittels BigBrain gewonnen Erkenntnisse ein. Beim europäischen „Human Brain Project“ soll innerhalb von zehn Jahren das komplette menschliche Gehirn von der molekularen Ebene bis hin zur Interaktion ganzer Hirnregionen auf einem Supercomputer der Zukunft simuliert werden.

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