Um den komplexen Aufbau und die vielfältigen Funktionen des Gehirns zu entschlüsseln, sind große Datenmengen aus verschiedensten Quellen erforderlich. Diese Daten müssen in Computersimulationen wie Puzzleteile zusammengeführt werden, um die Mechanismen von Gehirnfunktion zu verstehen. Zu diesem Zweck wurde als Open-source die Gehirnsimulationsplattform „The Virtual Brain“ entwickelt. Sie ist in der Lage, die Messdaten einer Person in individuellen, patientenspezifischen Modellen zu vereinigen. Die Software simuliert anhand der Daten Patientengehirne und wird wie ein mathematisches Mikroskop eingesetzt: So lassen sich sogar Interaktionen zwischen Nervenzellen nachzuvollziehen, die am Menschen nicht direkt messbar sind. Mit dieser Methode ziehen die Wissenschaftler Rückschlüsse darauf, wie die neuronalen Schaltkreise des Gehirns miteinander interagieren und so die beobachteten Gehirnsignale erzeugen.
Genauer durch Einbindung von EEG-Daten
Das internationale Projekt wird von Prof. Petra Ritter von der Klinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie an der Charité – Universitätsmedizin Berlin und dem Berliner Institut für Gesundheitsforschung/Berlin Institute of Health (BIH) mit zwei Kollegen aus Toronto und Marseille geleitet. Unter ihrer Leitung haben die Wissenschaftler der Abteilung für Gehirnsimulation an der Klinik für Neurologie einen innovativen Ansatz entwickelt: Eine Art Haube zeichnet die messbaren elektrischen Gehirnsignale von der Kopfoberfläche eines Patienten als Elektroenzephalogramm (EEG) auf. Diese Informationen werden anschließend in das personalisierte Computermodell integriert. Das Modell simuliert dann Hirnaktivitäten, die sich sonst nur in einem großen Bildgebungsgerät, dem Magnetresonanztomografen (MRT), messen lassen. Tatsächlich ließen sich mit dem Modell sechs verschiedene Prinzipien von Gehirnaktivität berechnen, die bisher nur teilweise und invasiv am Tier messbar waren. Das Modell konnte dabei genau beschreiben, wie diese Prozesse zusammenwirken.
Konstruktion individueller Modelle
„Die neue Methode der Gehirnsimulation erlaubt es, Messdaten und Theorien zur Funktionsweise des Nervensystems in einem umfassenden physiologisch und anatomisch realistischen Modell zu vereinen“ erklärt Prof. Ritter. Ein solches Verfahren ist in vielen Bereichen der Neurowissenschaft von großem Nutzen, um neue Hypothesen aufzustellen und zu testen. Die Konstruktion individueller Modelle anhand von Patientendaten ist hierbei ein speziell entwickelter Ansatz.
Auch für breite Bevölkerung gedacht
Im nächsten Schritt werden größere Gruppen von Patienten untersucht, um zum Beispiel die Mechanismen bei Epilepsie, Schlaganfall und Demenz zu entschlüsseln. In einer in Frankreich gestarteten klinischen Studie wird aktuell getestet, wie die Technologie bei chirurgischen Eingriffen die Heilung von Epilepsie unterstützen kann. Neurochirurgen simulieren den Eingriff zunächst am virtuellen Gehirn des Patienten und können so das Ergebnis optimieren.
Aber auch die breite Bevölkerung könnte bald vom „Virtual Brain“ profitieren. Die an der Charité entwickelte Brain-Modes-App für Smartphones und Tablets erlaubt es mit kommerziell erhältlichen Neuroheadsets, das eigene Gehirn besser kennenzulernen. Die Forscher an der Charité unter Leitung von Prof. Ritter werden diese Technologie weiterentwickeln, so dass sie in Zukunft auch die Steuerung von Maschinen, Computern und Exoskeletten durch Gedanken ermöglicht.
https://elifesciences.org/articles/28927
https://neurologie.charite.de/
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