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In den Kopf geschaut

Hirnforschung: „BigBrain“ zoomt bis zur Nervenzelle ins Gehirn
In den Kopf geschaut

In den Kopf geschaut
Der Nutzer des BigBrain-Modells kann Schnittbilder selbst erzeugen und detaillierte Untersuchungen zur Struktur des menschlichen Gehirns durchführen (Bild: Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Forschungszentrum Jülich)
Haarscharfe Aufnahmen: Das Softwaretool „BigBrain“ ermöglicht Bilder mit einer bisher unerreichten Auflösung von 20 µm. Das entspricht etwa der Größe einer Nervenzelle oder weniger als der Hälfte eines Haardurchmessers.

„Das virtuelle dreidimensionale Gehirn basiert auf Informationen aus über 7400 Gewebeschnitten mit einer Dicke von nur 20 Mikrometern, die aus einem menschlichen Gehirn gewonnen wurden“, berichtet Univ.-Prof. Dr. med. Karl Zilles, heute Senior-Professor in Jara-Brain, dem Hirnforschungsverbund zwischen der RWTH Aachen dem Forschungszentrum Jülich. Dazu wurde jeder einzelne Gewebeschnitt eingescannt und anschließend dreidimensional an Großrechnern rekonstruiert.

Die Verarbeitung der hauchdünnen, fragilen Gewebeproben ist extrem schwierig und aufwendig. „Beim Schneiden der hauchdünnen Schnitte können Schäden entstehen, die in den digitalisierten Scanner-Aufnahmen mit Hilfe moderner Bildverarbeitungstools repariert werden müssen“, erklärt der Neurowissenschaftler, der nicht nur in Jülich, sondern auch an der Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik an der Uniklinik RWTH Aachen forscht. Um die riesigen Datensätze zu verarbeiten, dreidimensional zu rekonstruieren und im Detail auszuwerten, benötigten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler leistungsstarke Supercomputer in Kanada und Jülich.
„BigBrain hilft uns, neue Erkenntnisse über das gesunde, aber auch erkrankte Gehirn zu gewinnen“, berichtet Prof. Dr. med. Katrin Amunts, Science-Erstautorin und Direktorin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) am Forschungszentrum Jülich. Ein Beispiel: „Die menschliche Hirnrinde ist aufgrund ihrer Entwicklung sehr stark gefaltet“, so die Neurowissenschaftlerin. Daher lasse sich die Dicke der Hirnrinde in einigen Arealen durch bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomographie 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 unseres hochauflösenden Hirnmodells können wir nun in verschiedenen funktionellen Hirnarealen wie etwa der motorischen Rinde oder einer Hirnregion, die unter anderem für Lernen und Gedächtnis wichtig ist, neue Einsichten in deren normalen Aufbau gewinnen und zahlreiche Strukturmerkmale messen“, erläutert Katrin Amunts. Das wird dazu beitragen, Veränderungen in Patientengehirnen genau bestimmen und bewerten zu können.
Fünf Jahre hat Jara-Seniorprofessor Univ.-Prof. Dr. med. Karl Zilles gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vom Forschungszentrum Jülich und aus Montreal (Kanada) an dem Modell gearbeitet. Die Erkenntnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Science“ vorgestellt.
Weitere Informationen: Über Jara, die Jülich Aachen Research Alliance
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