Google Maps fürs Gehirn

Doch bevor ein Supercomputer den Atlas so exakt darstellen kann, bedarf es der filigranen Handarbeit des Menschen. Amunts und ihr Team schnitten menschliche Gehirne von Körperspendern in feine Scheiben. Jede einzelne ist dünn wie ein Haar, misst nur 20 Mikrometer. 50 Scheiben ergeben einen Millimeter. Zum Schneiden bewegt Amunts einen Block mit weißem Paraffinwachs, der das Gehirn fixiert, vorsichtig entlang eines scharfen Messers. Die Scheibe löst sich langsam ab und schiebt sich über das Messer auf ein Förderband.

„Wir fertigen von jedem Gehirn bis zu 8.000 Schnitte an, die wir mit empfindlichen Mikroskopen scannen, und bauen die Struktur dann am Computer wieder zusammen“, erklärt Amunts. Die feinen Schnitte beschäftigen acht automatische Scanner im Kellerraum des Instituts. Die Analyse eines einzigen Gehirns dauert etwa ein Jahr. Ohne die Hilfe von künstlicher Intelligenz wäre die Arbeit, die vielen Schnitte wieder aneinanderzufügen und in 3D zu rekonstruieren, in einem Menschenleben nicht zu schaffen.

An den Grenzen der Areale

Eine interdisziplinäre Arbeitsgruppe mit Mathematikern, Informatikern, Medizinern und Biologen hat Algorithmen entwickelt, die die Stellen erkennen, an denen sich die Anordnung der Nervenzellen innerhalb des Gehirns ändert. Das sind die Grenzen der einzelnen Areale, in denen das Gehirn organisiert ist, um seine Aufgaben zu erledigen. Diese Mikrostrukturen des menschlichen Gehirns werden schon lange erforscht.

Der Psychiater und Neuroanatom Korbinian Brodmann veröffentlichte 1909 seine Untersuchungen an der Rinde des Großhirns von Verstorbenen. Auch er beobachtete die Verteilung der Nervenzellen unter dem Mikroskop. Brodmann entdeckte, dass das Gehirn längst nicht so gleichmäßig aufgebaut ist, wie man bis dahin dachte. Er identifizierte 43 verschiedene Areale und vermutete, dass eine Änderung in der Struktur der Zellen mit einer Änderung der Funktion einhergeht. Seine eher schematische Skizze blieb mit kleineren Ergänzungen viele Jahrzehnte der Stand der Wissenschaft.

30 Jahre Arbeit

Katrin Amunts trat Mitte der 1990er-Jahre an der Universität Düsseldorf in Brodmanns Fußstapfen. Sie kartierte zunächst das Sprachzentrum und die Sehrinde. „Damals war schon klar, dass wir einen detaillierten Atlas brauchen, der alle Regionen einbezieht“, erinnert sie sich. Seit etwa 30 Jahren arbeitet sie nun an diesem Ziel. Das Konzept und die Methoden zum „Julich Brain Atlas“ wurden in der Fachzeitschrift „Science“ im August 2020 erstmals präsentiert. Statt der 43 Areale auf Brodmanns Karte hatte Amuntsʼ Team da schon 248 Regionen mit deutlichen Unterschieden gefunden. Die Forscher betrachten die Anordnung der Zellen, ihre Dichte, aber auch das Vorkommen bestimmter Zelltypen, die nicht in allen Gehirnarealen gleichmäßig verteilt sind. Ein Areal, das davon dominiert wird, Informationen zu empfangen, wie das Sehzentrum, hat eine andere Struktur als ein Areal, das Informationen sendet, etwa zur Kontrolle von Bewegungen.

Optimierung dank der Nutzer

Die Zellkarten decken inzwischen das gesamte Gehirn ab. Doch der Atlas ist damit längst noch nicht fertiggestellt. Im Gegenteil, nach dieser anatomischen Detailarbeit beginnt die nächste Runde: Die Nutzer von EBRAINS können nun die Datensammlung mit ihren Erkenntnissen ergänzen. Sie füttern den Atlas mit Befunden aus vielfältigen Untersuchungsmethoden. Zudem erweitert die Community den Gehirnatlas mit Daten über die Verteilung von Rezeptoren für Neurotransmitter – Botenstoffe, die bei der Kommunikation zwischen den Nervenzellen wichtig sind – und mit Daten über die Aktivität der Gene. Programmierer steuern zusätzliche Software zur Auswertung bei.

Durch die fleißige Arbeit dieses Netzwerks soll sich der 3D-Atlas ähnlich entwickeln wie Google Maps. Der Kartendienst begann auch mit einfachen Stadtplänen und ist inzwischen zum umfassenden digitalen Informationszentrum geworden. „Ein geografischer Atlas und unser Atlas des Gehirns haben viel gemeinsam“, erklärt Amunts. Bei Google Maps gebe der Blick auf die Architektur bereits Hinweise auf die Funktion einer Gegend: hier ein Hochhausviertel mit Büros und Geschäftszentren, dort Einfamilienhäuser eines Wohngebiets. Man findet Schulen, Parks, Sporthallen und Kulturzentren. Die Funktion eines Stadtviertels leitet sich aus der Struktur ab.

Und die möglichen Analogien können noch weitergehen, denn der Atlas lernt auch etwas durch Netzwerke: Die Navigationsdienste berechnen, wie sich die Bewohner der Stadt bewegen können und welche alternativen Routen es gibt. Die Nutzer hinterlassen Informationen über Geschäfte und Firmen. Daten aus Ortungssystemen zeigen, wo sich die Menschen gerade aufhalten. Und die Konsumenten liefern in den persönlichen Bewertungen Details, wie sie mit Service und Produkt zufrieden sind. Eine künstliche Intelligenz kann daraus ermitteln, wie eine Stadt tickt. Übertragen auf den Jülicher Hirnatlas bedeutet das: Jede Information, die zum Gehirnatlas hinzugefügt wird, trägt zu einem besseren Verständnis des Denkorgans bei.

Amunts hat angesichts der Größe der Aufgabe schon immer auf Zusammenarbeit gesetzt. Die europäische Initiative will sich mit einem kanadischen und einem US-amerikanischen Kartierungsprojekt verknüpfen. „Keine der entwickelten Kartierungen kann die andere ersetzen“, sagt Amunts. Das Motto: Baut Brücken, keine Inseln. ■