Hirnforschung"Unser 3-D-Atlas vom Gehirn entstand scheibchenweise"

"BigBrain" heißt der bislang genaueste Atlas des menschlichen Gehirns. Im Interview erzählt Katrin Amunts, was die interaktive Karte für Einblicke ermöglicht. von Jan Dönges

Gehirn Mikrotom

Die Wissenschaftler schnitten das Gehirn einer 65-Jährigen in exakt 7.400 Scheiben von nur 20 Mikrometer Dicke. Dazu verwendeten sie ein Gerät – das Mikrotom – das sehr dünne Schnitte möglich macht.  |  © Amunts, Zilles, Evans et al., Forschungszentrum Jülich, McGill University, Montreal

Frage: Frau Amunts, Sie haben den genauesten 3-D-Atlas eines Hirns online gestellt. Wie kam es dazu?

Katrin Amunts: Zellarchitektur fasziniert mich seit der Studienzeit. Es geht ja nicht nur um eine anatomische Beschreibung. Die Anordnung der Zellen hängt eng mit der Funktion des Gehirns und unserem Verhalten zusammen. Neurone sind nicht zufällig verteilt. Warum sie genau so angeordnet sind, das ist noch nicht gut verstanden.

Anzeige

Frage: Beim Verständnis hilft der 3-D-Atlas?

Amunts: Ja, mit der herkömmlichen Methode kommt man irgendwann nicht weiter. Man kann Gewebeschnitte anfertigen und unter dem Mikroskop die Struktur untersuchen. Aber wegen der gefalteten Oberfläche des Gehirns bleiben wesentliche Bereiche verborgen, weil sie ungünstig angeschnitten wurden. Ein dreidimensionales Modell hat diese Beschränkungen nicht.

Frage: Geschnitten wird dann virtuell am Computer?

Amunts: Richtig. Das ist die Idee. Man kann etwa die Großhirnrinde genauer in Areale unterteilen. Wir haben uns schon vor zehn Jahren das Ziel gesetzt, ein Gehirn, das wir bereits in Tausende feiner Scheiben geschnitten hatten, am Computer wieder zusammenzusetzen. Dass das tatsächlich machbar sein würde, haben wir selbst nicht so recht geglaubt.

Frage: Nicht machbar? Warum?

Amunts: 2003 war die Technik noch nicht so weit. Wir hatten 7.500 Schnitte, die nach dem Digitalisieren rund ein Terabyte Rohdaten umfassten. Eine gigantische Datenmenge. Glücklicherweise war das BigBrain-Projekt längerfristig angelegt. Es dauert ja schon Monate, die Schnitte aufzubereiten. Und allein das Einscannen hat etwa 1.000 Stunden in Anspruch genommen.

Frage: Wenn Sie einscannen sagen, meinen Sie mit dem Mikroskop abfotografieren?

Erschienen auf spektrum.de

Erschienen auf spektrum.de  |  © Screenshot ZEIT ONLINE

Amunts: Nein, mit den alten Mikroskopen hätte man die Proben gar nicht vollständig abfahren können. Aber Flachbettscanner bieten eine ausreichende Auflösung. Danach mussten die Aufnahmen nachbearbeitet werden. Auch die Bildbearbeitung hatte zum Glück entscheidende Fortschritte gemacht.  

Frage: Für das Zusammensetzen der Einzelbilder haben sie Supercomputer benutzt…

Amunts: Ja, bei einer solchen Aufgabe kommen Sie mit einem Laptop nicht weit, nicht mal mit einem Rechnerverbund. Wir haben deshalb mit dem Zentrum für High Performance Computing in Sherbrooke in Kanada und später hier am Forschungszentrum Jülich zusammengearbeitet.

Frage: Im Atlas erreichten Sie eine Auflösung von 20 Mikrometern. Was kann man dann erkennen?

Amunts: Größere Zellen sehen Sie direkt, vor allem aber die Struktur in der Großhirnrinde, die architektonischen Merkmale wie Schichten oder Säulen. Diese Eigenschaften sagen viel darüber aus, wie Verbindungsmuster in einer Hirnregion ausgeprägt sind. Und die hängen eng mit der Funktion von Arealen zusammen.

Frage: In Ihrer Veröffentlichung wünschen Sie sich, dass der Atlas "Goldstandard" wird. Was ist damit gemeint?

Amunts: Ein Beispiel: Wenn Sie Daten über die Aktivität einer Nervenzelle im Gehirn erheben, hilft unser Atlas dabei, diese Ergebnisse in drei Dimensionen zu verorten und die Aktivität einer bestimmten Zellschicht zuzuordnen. Das ist vor allem wichtig, wenn Messwerte verglichen werden. 

Frage: Ein Fachkollege hat Ihre Arbeit mit den Leistungen der Kartografen des 17. Jahrhunderts verglichen. Empfinden Sie das als passenden Vergleich?

Amunts: Ich würde es zwar nicht so ausdrücken, aber ich denke, worauf er anspielt, ist, dass man nun akkurate Karten hat; Keine weißen Flecken mehr, sondern reale Daten, wenn Sie so wollen. Mit der Auflösung, die unser BigBrain-Atlas liefert, liegen wir deutlich über dem, was bislang verfügbar war. Der Vergleich zeigt aber auch, dass wir noch nicht fertig sind. Wir haben die Zellarchitektur sichtbar gemacht, aber früher oder später wird man auf die Ebene einzelner Zellen hinunter müssen.

Frage: Das heißt, die Auflösung müsste weiter erhöht werden?

Amunts: Das wäre eine Überlegung. Seit ein paar Jahren existieren Scanner, mit denen sich die Datenerfassung bewerkstelligen ließe. Allerdings wächst die Datenmenge dadurch enorm.

Frage: Haben Sie einmal ausgerechnet, wie viel Sie bei einer 1-Mikrometer-Auflösung speichern müssten?

Katrin Amunts
Katrin Amunts

ist seit Anfang des Jahres die Direktorin des Cécile und Oskar Vogt-Instituts für Hirnforschung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und außerdem Leiterin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin am Forschungszentrum Jülich.

Amunts: Das wären in jeder Raumdimension um den Faktor 20 mehr Daten. Im Endergebnis landet man also bei gut acht Petabyte nur an Ausgangsdaten. Da müssen wir uns mit den Kollegen vom Supercomputing-Zentrum in Jülich noch einmal genauer unterhalten…

Frage: Wird eines Tags das Navigieren durch das virtuelle Hirn möglich?

Amunts: Neurowissenschaftler schätzen eine interaktive Herangehensweise, wie in unserem BigBrain-Atlas: Jeder kann auf der Website durch die Bilder blättern und den Blickwinkel ändern.

Frage: Das heißt, zunächst bleibt es bei der jetzigen Auflösung?

Amunts: Vorerst ja. Unser nächstes Ziel ist, mehr als nur ein Gehirn aufzubereiten. Das ist ein Grund, weshalb mir der Vergleich mit den alten Kartografen nicht so gut gefällt: Wir haben nur eine Welt, die man beliebig genau abbilden kann. Aber unsere Gehirne sind sehr verschieden. Wir benötigen mehrere Karten, aus denen die individuellen Unterschiede hervorgehen.

Frage: Sie müssen also zurück an die Schnittmaschine?

Amunts: Ja. Mit einem zweiten Gehirn haben wir bereits angefangen. Und es ist gut möglich, dass weitere folgen. 

Erschienen auf spektrum.de

Zur Startseite
 
Leserkommentare
    • tezzie
    • 28. Juni 2013 20:57 Uhr

    ohne Handschuhe im Labor... auweia...

  1. Wie geht es eigentlich dem 65ig jährigen ?

    Eine Leserempfehlung
    • Kosyme
    • 29. Juni 2013 9:11 Uhr

    Meines Wissens entspricht eine Auflösung von 20 Mikrometern,
    ziemlich exact der Auflösung von Magnetresonanztomographien im Forschungsbereich. Auch dort können räumliche Auflösungen von unter 0,02 mm erreicht werden.

    Da sind dann unterschiedliche Techniken zufällig auf einem annähernd ähnlichen Standard angekommen.

  2. Sehr interessanter Artikel, nur hatte ich gleich folgendes Bild im Kopf:

    "Und dann noch bitte 100g vom Schinken, Frau Lange." "Na, will ihr kleiner Sohnemann vielleicht noch ne Scheibe Gesichtswurst auf die Hand?" :D

    Eine Leserempfehlung
    Reaktionen auf diesen Kommentar anzeigen

    ... äwer nid med Fleischwoorsch. Die maach de Vadder nid ...

  3. Interessant wird es erst, wenn man die Verbindungen zwischen den Zellen sieht, also die Synapsen. Davon ist hier gar keine Rede.

    Es wäre gut zu wissen, was man aus dem Atlas über die Verschaltung im Gehirn erfahren kann.

  4. ... äwer nid med Fleischwoorsch. Die maach de Vadder nid ...

    Antwort auf "Neulich beim Fleischer"

Bitte melden Sie sich an, um zu kommentieren

  • Schlagworte Gehirn | Hirnforschung | Supercomputer | Bildbearbeitung | Kanada
Service