Unser Gehirn besteht aus Billionen von Nervenzellen, die in einem komplexen Netzwerk miteinander verschaltet sind. Seit 2017 arbeiten Forschende weltweit unter Leitung der amerikanischen National Institutes of Health im BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) daran, die Architektur dieses Netzwerks genauer zu verstehen. Dabei geht es unter anderem darum, Einblicke in die normale Funktionsweise sowie krankhafte Veränderungen zu gewinnen, Vergleiche zu anderen Spezies zu ziehen und die Entwicklung des Gehirns vom Embryo bis zum Erwachsenen nachzuvollziehen.
Neue Einblicke dank innovativer Techniken
In 21 Studien, die in den Fachzeitschriften Science, Science Advances und Science Translational Medicine veröffentlicht wurden, präsentiert das Forschungskonsortium nun Ergebnisse des Projekts – darunter einen detaillierten Atlas der Zellen des menschlichen Gehirns. Um die Zellen und ihre genetische Ausstattung zu charakterisieren, nutzten die beteiligten Forschungsteams vielfältige Methoden, von denen einige nun zum ersten Mal für menschliche Zellen angewendet wurden. „Traditionell wurden die Techniken vor allem in präklinischen Studien mit Nagetieren und anderen experimentellen Modellen eingesetzt“, erklärt der Science-Redakteur Mattia Maroso. „Die hier vorgestellten Arbeiten zeigen, wie die Forschung am Menschen die präklinische Arbeit nun einholen könnte.“
Als Grundlage dienten die Gehirne von drei erwachsenen Männern, die ihr Gehirn nach ihrem Tod der Forschung zur Verfügung gestellt hatten. Zusätzlich nutzten die Forschenden Gewebespenden lebender Menschen, denen bei Hirnoperationen – etwa wegen schwerer Epilepsie oder Tumoren – Hirngewebe entnommen wurde. Für mehr als eine halbe Million Gehirnzellen analysierten sie das sogenannte Methylierungsmuster der DNA, das durch Anlagerungen am Erbgut darüber bestimmt, welche Teile des Genoms in der jeweiligen Zelle zu Proteinen umgesetzt wird. Zusätzlich erfassten sie die dreidimensionale Struktur der DNA sowie die Proteine und die Gesamtheit der abgelesenen und in RNA kopierten Proteinbaupläne in den Zellen.
In Gesundheit und Krankheit
Mehr als 3000 verschiedene Typen von Gehirnzellen identifizierten die Forschenden. Rund 80 Prozent davon sind Nervenzellen, bei den übrigen handelt es sich um unterschiedliche Arten von Gliazellen, die die Nervenzellen stützen, versorgen und elektrisch isolieren. Mit Hilfe von Deep-Learning-Modellen deckte ein Forschungsteam um Yang Li von der University of California in San Diego Zusammenhänge zwischen der Häufigkeit bestimmter Hirnzelltypen und neuropsychiatrischen Störungen auf, darunter Schizophrenie, bipolare Störung, Alzheimer und schwere Depressionen. Diese Erkenntnisse könnten zukünftig dabei helfen, das individuelle Risiko für diese Erkrankungen besser einschätzen zu können und womöglich frühzeitig Maßnahmen zur Vorbeugung und Behandlung zu ergreifen.
