Neurologie: Das Gehirn mit allen Nervenzellen und Verbindungen

12/08/2013
Foto: Nervenzellen

Zehn rekonstruierte Nervenzellen in einem Block mit 950 Neuronen aus der Retina, aufgenommen mit "serial block-face"-Elektronenmikroskopie;
© MPG

Hinter dem Begriff Connectomics verbirgt sich das Verstehen des Gehirns und all seiner Verbindungen. Nun ist Wissenschaftlern nach vier Jahren Datenanalyse und mithilfe von etwa 200 Studenten gelungen, ein exaktes Diagramm zu erstellen, das alle Nervenzellen und ihre Verbindungen in einem Stück der Netzhaut einer Maus zeigt.

Bereits dieser vergleichsweise kleine Einblick ins Gehirn brachte sowohl einen neuen Zelltyp ans Licht, als auch Verschaltungen, die bestimmte Reaktionen einzelner Netzhautzellen erklären könnten.

Das menschliche Gehirn besitzt zirka 100 Milliarden Nervenzellen, und jede ist über Tausende von Kontakten mit anderen Zellen verbunden. Schon lange vermuten Wissenschaftler, dass die Essenz unseres Seins – was wir fühlen, denken, woran wir uns erinnern – in diesen Kontakten gespeichert ist. Doch wie lässt sich das Geheimnis dieser Verbindungen entschlüsseln? "Schon der winzigste Würfel Gehirnmasse beinhaltet tausende Nervenzellen mit hunderttausenden Kontakten", sagt Moritz Helmstaedter, Erstautor der Studie vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie.

Die Neurobiologen ließen sich von diesen Zahlen jedoch nicht abschrecken. Die Max-Planck-Forscher berichten nun von einem großen ersten Schritt, der ihnen zusammen mit ihren Kollegen aus den USA gelungen ist: Sie haben alle Nervenzellen und Verbindungen aus einem Stück Mäusenetzhaut kartiert.

Obwohl der Netzhautwürfel gerade einmal einen Zehntel Millimeter Kantenlänge hatte, kamen darin knapp 1000 Nervenzellen mit rund einer halben Million Verbindungen vor. "Wir brauchten ungefähr einen Monat um die Daten zu gewinnen und vier Jahre um sie zu analysieren" sagt Helmstaedter. Ein Grund dafür ist die extrem aufwändige Analyse der elektronenmikroskopischen Bilder des Hirngewebes: Die hauchdünnen Fortsätze der Nervenzellen müssen über lange Strecken verfolgt und Verbindungen zwischen ihnen erkannt werden. Heutige Computeralgorithmen sind für diese Aufgabe zwar sehr hilfreich, an vielen Stellen aber doch zu unzuverlässig. Daher müssen immer noch Menschen Entscheidungen über reale und falsche Abzweigungen in den neuronalen "Drähten" fällen. In der nun publizierten Arbeit verschlangen allein diese Entscheidungen rund 20.000 menschliche Arbeitsstunden. Um mit denselben Methoden die Verdrahtung eines ganzen Mäusegehirns zu entschlüsseln, wären mehrere Milliarden Arbeitsstunden nötig.

Die Netzhaut wandelt nicht einfach nur Bilder in elektrische Signale um sondern trennt und filtert die Bildinformationen vor der Weitergabe an das Gehirn. Entsprechend komplex ist das Netzwerk der Nervenzellen in diesem kleinen Neurocomputer. Durch die Kartierung des Netzhautstücks stießen die Wissenschaftler nun auf einen bislang unbekannten Zelltyp, der zur Klasse der Bipolarzellen gehört, aber dessen Funktion zurzeit noch unklar ist. An anderer Stelle enthält das erstellte Verbindungsdiagramm Verschaltungsmuster, die erklären könnten, warum manche Zellen auf eine ganz bestimmte Art auf Reize reagieren. "Diese Ergebnisse zeigen uns, dass wir auf dem richtigen Weg sind, obwohl wir mit dieser Arbeit gerade einmal 0,1 Prozent der Netzhaut einer Maus analysiert haben", so Helmstaedter.

MEDICA.de; Quelle: Max-Planck-Gesellschaft