Wege der Signale : Forscher erstellen einen Atlas des Mäusehirns

Verbindungen zwischen 75 Millionen Nervenzellen: US-Forschern ist es gelungen, sämtliche Verdrahtungen im Gehirn eines Säugetiers zu kartieren.

Die Wege der Nervensignale. Die Abbildung zeigt die Verbindungen zwischen mehreren Hirnarealen von Mäusen.
Die Wege der Nervensignale. Die Abbildung zeigt die Verbindungen zwischen mehreren Hirnarealen von Mäusen.Foto: Allen Institute for Brain Science

Ihr Atlas des Mäusehirns zeigt im Maßstab einzelner Nervenfasern, auf welchen Wegen Signale von einem Punkt des Gehirns in andere Regionen gelangen können. „Wenn wir die Informationsverarbeitung im Gehirn verstehen wollen, müssen wir zunächst wissen, wie die Verbindungen angelegt sind“, sagt Hongkui Zeng vom Allen-Institut für Hirnforschung in Seattle. Die Forscherin und ihre Kollegen stellen ihren Verbindungsatlas im Fachmagazin „Nature“ vor.

Bislang ist der Fadenwurm Caenorhabditis elegans das einzige Tier, dessen Nervensystem mit allen Verbindungspunkten kartiert ist. Allerdings besteht das Nervenkostüm des Winzlings nur aus 302 Nervenzellen. Gehirne anderer Tiere oder gar das des Menschen mit seinen 90 Milliarden Nervenzellen haben Anatomen über die Jahrhunderte nur in Teilen, mit uneinheitlichen Methoden oder in vergleichsweise grober Auflösung erfassen können.

Fast 500 Hirne wurden gescannt

Zeng und Kollegen nahmen sich das Mäusehirn mit immerhin rund 75 Millionen Nervenzellen vor. Die Forscher injizierten den Tieren ein Adenovirus, das die genetische Bauanleitung für ein grün fluoreszierendes Protein trug, in unterschiedliche Teile des Gehirns. Drei Wochen später zerschnitten sie die Gehirne in 0,1 Millimeter dünne Scheiben und ließen ein automatisches Mikroskopsystem die Ausbreitung der grünen Markierung in den Nervenfasern erfassen.

Der nun fertiggestellte und frei zugängliche Atlas beruht auf 469 Gehirnen und erfasst die Verbindungen zwischen 213 verschiedenen Regionen darin. Rund ein Drittel aller möglichen Verbindungen ist demnach tatsächlich realisiert, allerdings schwankt ihre Stärke – gemessen an der Ausbreitung der Markierung im Zielgebiet – um den Faktor 100 000. Insgesamt stehen wenige sehr starke Verbindungen einer großen Zahl schwacher Verknüpfungen gegenüber. Bei der Analyse der umfangreichen Daten habe man bislang allerdings nur an der Oberfläche gekratzt, betont Zeng.

Ein zweites Team untersucht die Genaktivität im menschlichen Gehirn

Für die Kartierung der Verbindungen im menschlichen Gehirn ist die bei der Maus angewandte Methode schwerlich geeignet. Ein entsprechendes Großprojekt, das Human Connectome Project, setzt stattdessen vorrangig auf Kernspinmessungen. Bei dieser Bildgebung nutzt man aus, dass sich Wassermoleküle schnell entlang von Nervenfasern bewegen, quer dazu jedoch nur langsam. Zengs Team ist gleichwohl überzeugt, dass ihr Atlas des Mäusehirns bei der Klärung vieler neurowissenschaftlicher Fragen helfen kann.

Das reklamieren auch die Autoren eines weiteren „Nature“-Artikels, der ebenfalls am Allen-Institut entstand, für ihre Arbeit. Sie zeigen mit bisher unerreichter Genauigkeit, wann und wo im Gehirn menschlicher Föten Gene aktiv sind. Damit lasse sich besser verstehen, wie sich das Hirn entwickelt und wo die Ursprünge neurologischer Krankheiten wie Autismus und Schizophrenie liegen, schreiben sie.

Konkurrenz aus Europa

Jeremy Miller und Kollegen untersuchten vier Gehirne im Entwicklungsstadium 15, 16 und 21 Wochen nach der Empfängnis, also etwa in der Mitte der Schwangerschaft. Mit unterschiedlichen Methoden bestimmten die Forscher, welche Gene in einzelnen Zellen in dieser Zeit angeschaltet sind. „Wenn man weiß, wo im Gehirn ein Gen aktiv ist, kann man Rückschlüsse auf seine Rolle ziehen – gerade im Hinblick auf Erkrankungen“, sagt Koautor Ed Lein.

Ihre Untersuchung gebe auch Hinweise darauf, was das menschliche Gehirn im Vergleich zu anderen Säugetieren besonders mache, schreiben die Wissenschaftler.

Die Untersuchung ist Teil des „Brain Span Atlas of the Developing Human Brain“, einem Wissenschaftskonsortium, das eine vergleichbare Aktivitätskarte für die gesamte Entwicklung des menschlichen Gehirns erstellen möchte. Auch diese Daten sind im Internet frei zugänglich. Ein anderes Projekt zur Rekonstruierung des Gehirns mithilfe von Computermodellen, das Human Brain Project, hat die EU im vergangenen Jahr gestartet. JKM/dpa

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