Maus -Gehirnstudien verbessern das Verständnis des menschlichen Geistes

Google-Forscher haben gerade eine unglaublich detaillierte Karte des menschlichen Gehirns vorgestellt, die sich auf ein winziges, aber bedeutendes Stück konzentriert: nur 1 Kubikmillimeter Gehirngewebe, etwa die Größe eines halben Reiskorns. Diese Karte, die erstaunliche 1,4 Petabyte Daten zur Kodierung erforderte, zeigt einzelne Neuronen und ihre komplizierten Verbindungen mit bemerkenswerter Klarheit.

Obwohl es sich um einen winzigen Teil des Gehirns handelt, hat die Karte zu erstaunlichen Entdeckungen geführt. „Zum Beispiel haben wir bemerkt, dass einige der neuronalen Drähte sich zu diesen massiven Knoten verdrehen“, sagt Google-Forschungswissenschaftler Viren Jain. „Wir haben keine Ahnung, warum das passiert – es ist etwas, das noch niemand zuvor gesehen hat.“

Jetzt konzentrieren sich Viren und sein Team auf die Gehirne von Mäusen, und das aus einem überzeugenden Grund. Diese kleinen Säugetiere könnten der Schlüssel sein, um einige der tiefsten Geheimnisse unseres eigenen Geistes zu entschlüsseln. Fragen wie: Wie speichern und rufen wir Erinnerungen ab? Wie erkennen wir Objekte und Gesichter? Warum brauchen wir so viel Schlaf? Und was funktioniert bei Erkrankungen wie Alzheimer und anderen Gehirnkrankheiten nicht?

„Der Hauptgrund, warum uns Antworten auf diese Fragen fehlen, ist, dass uns immer noch entscheidende Daten fehlen, um das Gehirn zu untersuchen“, erklärt Viren.

Das menschliche Gehirn mit seinen 86 Milliarden Neuronen und über 100 Billionen Synapsen ist die komplexe Maschinerie hinter unseren Gedanken, Emotionen, Bewegungen und Interaktionen mit der Welt. Durch die Kartierung dieser neuronalen Verbindungen, oder des „Konnektoms“, können wir Einblicke gewinnen, wie unser Gehirn funktioniert und warum es manchmal nicht funktioniert.

Die Erstellung detaillierter Karten auf synaptischer Ebene ist keine kleine Leistung; sie erfordert die Bildgebung des Gehirns in Nanometer-Auflösung und die Handhabung enormer Datenmengen. Es ist eine technische Herausforderung, die kontinuierliche Innovation in Bildgebung, KI-Algorithmen und Datenmanagement-Tools erfordert. Aus diesem Grund hat Google Research vor einem Jahrzehnt sein Connectomics-Team gegründet.

In den letzten zehn Jahren hat das Team bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von Technologien gemacht, um Daten effizienter zu verarbeiten, zu analysieren und zu teilen, was unser Verständnis des Gehirns erheblich beschleunigt hat. Zum Beispiel haben sie Flut-Füll-Netzwerke eingeführt, die die Verfolgung von Neuronen über Gehirnbilder hinweg mit maschinellem Lernen automatisieren und die Notwendigkeit manueller Einfärbung eliminieren. Sie entwickelten auch den SegCLR-Algorithmus, um automatisch verschiedene Teile von Zellen und Zelltypen innerhalb dieser Netzwerke zu identifizieren. Zusätzlich haben sie Software wie TensorStore und Neuroglancer entwickelt, um große, mehrdimensionale Bilder und Volumen zu speichern, zu verarbeiten und zu visualisieren.

Die Kartierung des gesamten menschlichen Gehirn-Konnektoms bleibt jedoch ein fernes Ziel. Es würde die Analyse von bis zu einem Zettabyte Daten erfordern – eine Milliarde Terabyte –, was derzeit außerhalb unserer technologischen Reichweite liegt. „Die Kartierung des gesamten menschlichen Gehirns würde derzeit Milliarden von Dollar und Hunderte von Jahren kosten“, gibt Viren zu.

Aus diesem Grund konzentrieren sich Forscher darauf, entweder größere Teile der Gehirne kleinerer Tiere oder kleinere Abschnitte der Gehirne größerer Tiere zu kartieren. Im Jahr 2020 hat das Connectomics-Team erfolgreich die Hälfte des Gehirns einer Fruchtfliege kartiert und Verbindungen zwischen 25.000 Neuronen aufgedeckt. Zusammenarbeiten mit anderen Forschern haben auch zur Erstellung von Konnektomen für Teile der Gehirne von Zebrafinken und Zebrafischlarven geführt. Und im Mai wurde die detaillierte Karte von 1 Kubikmillimeter menschlichem Gehirngewebe in Science veröffentlicht.

Die Datensätze aus diesen Projekten wurden von Tausenden von Forschern weltweit genutzt und haben zu Hunderten von veröffentlichten Entdeckungen geführt.

Forscher haben ein 3D-Bild von fast jedem Neuron und seinen Verbindungen innerhalb eines kleinen Stücks menschlichen Gehirngewebes erstellt. Das obere Bild zeigt erregende Neuronen, die in Gelb beleuchtet sind, während das untere Bild hemmende Neuronen zeigt, die in Blau hervorgehoben sind.

Das Connectomics-Team arbeitet derzeit mit Partnern an Harvard, Princeton und anderen Institutionen zusammen, um den Hippocampus der Maus zu kartieren – die Gehirnregion, die für die Bildung von Erinnerungen, Aufmerksamkeit und räumliche Navigation verantwortlich ist und 2-3 % des gesamten Maushirns ausmacht.

Ohne die Möglichkeit, das gesamte menschliche Gehirn zu kartieren, ist die Analyse eines Maushirn-Konnektoms ein praktischer nächster Schritt. Es ist klein genug, um machbar zu sein, und könnte Einblicke liefern, die auf menschliche Gehirne anwendbar sind. „Wenn man ein Maushirn unter einem Elektronenmikroskop betrachtet, sieht es bemerkenswert ähnlich wie ein menschliches Gehirn aus. Es ist im Wesentlichen eine Miniaturversion“, sagt Jeff W. Lichtman, Professor für molekulare und zelluläre Biologie an Harvard. Aus diesem Grund werden Mäuse oft verwendet, um menschliche Gehirnstörungen zu untersuchen.

Mäuse stellen die neueste Grenze in der Konnektomik dar, aber Neurowissenschaftler kartieren seit Jahrzehnten zunehmend komplexere Gehirne. Das erste Konnektom war das eines Wurms, das 1986 nach 16 Jahren Arbeit veröffentlicht wurde.

Obwohl ein Maushirn 1.000 Mal kleiner ist als ein menschliches Gehirn, bleibt seine Kartierung eine gewaltige technische Herausforderung. Der Datensatz eines einzigen Maushirn-Konnektoms in Nanometer-Auflösung könnte der größte biologische Datensatz aller Zeiten sein, geschätzt auf 20.000-30.000 Terabyte.

„Nicht nur die Datenerfassung ist eine Herausforderung, sondern auch die Speicherung und genaue Verarbeitung ist ein weiteres Hindernis“, bemerkt Viren. „Unser einzigartiger Beitrag war die Entwicklung von Tools, die die Grenzen der Genauigkeit verschieben und sie auf immer größere Datensätze anwenden.“

Falls erfolgreich, wird das Maushirn-Projekt des Connectomics-Teams das erste Mal sein, dass Wissenschaftler einen Teil eines Säugetier-Hippocampus kartiert haben und den größten je versuchten Gehirnabschnitt.

„Grundlagenforschung ist unglaublich wertvoll“, schließt Viren. „Was mich begeistert, ist die Aussicht, eines Tages genau zu verstehen, wie Erinnerungen gebildet werden und was psychische Störungen oder Krankheiten verursacht. Aber um dies zu erreichen, müssen wir die Technologie auf Weisen weiterentwickeln, die vor nur wenigen Jahrzehnten unvorstellbar gewesen wären.“