Rekord-Konnektom in 3-D

Es ist nur ein winzig kleiner Würfel, mit einem Volumen von 0,0000005 Kubikzentimetern. Und doch steckt darin ein Netzwerk aus rund 7000 Kabeln und ihren 400 000 Knotenpunkten. Dessen dreidimensionalen Schaltplan hat ein Team vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt jetzt in »Science« vorgestellt (Originalbild siehe oben). Nach Angaben der Forscher handelt es sich um den größten detaillierten Schaltplan vom Kortex eines Säugetieres, rund 26-mal größer als das bisher größte derartige Konnektom.

Das Gewebe stammt aus einem Teil des somatosensorischen Kortex einer Labormaus, der vor allem Berührungen verarbeitet. Mittels Elektronenmikroskopie rekonstruierten die Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter die 500 000 Kubikmikrometer Hirngewerbe, darin zirka 7000 Axone und rund 400 000 Synapsen, also die Kabel und Kontaktstellen von Nervenzellen. Sie verknüpften dabei menschliche Datenanalysen mit bildverarbeitender künstlicher Intelligenz. »Sieben Jahre Arbeit«, kommentiert der MPI-Direktor Helmstaedter auf Twitter.

Dabei identifizierten die Forscher auch hemmende und erregende Neuronensubtypen. Außerdem entdeckten sie im Hirngewebe der vier Wochen alten Labormaus Spuren von Lernprozessen, erkennbar am Zusammenhang zwischen Wachstum und Verstärkung der Synapsen. Letztere zeige, wenn die Maus lerne – etwa eine Katze zu erkennen, wie Erstautor Alessandro Motta in der Pressemitteilung des MPI erläutert. Aus der Momentaufnahme der kortikalen Schaltkreiskarte habe das Team ableiten können, wie häufig solche Lernprozesse in diesem Stück Hirngewebe stattfanden.

Die Konnektomforschung kartiert neuronale Netzwerke, um deren Aufbau und Funktionsweise zu verstehen. Doch erst seit wenigen Jahren ist es überhaupt möglich, die Verschaltung in Teilen eines Säugetiergehirns vollständig abzubilden. Das menschliche Konnektom umfasst rund 86 Milliarden Nervenzellen, jede im Schnitt mit etwa 1000 anderen verbunden und rund 1000-mal dünner als ein menschliches Haar. Würde man alle menschlichen Hirnzellen aneinanderhängen, kämen sie auf eine Länge von zirka fünf Millionen Kilometern, schätzen die Forscher – zehnmal länger als alle Autobahnen der Erde. Obwohl die neue 3-D-Karte die größte ist, beschreibt sie lediglich ein Netzwerk von insgesamt 2,7 Meter Kabellänge.

Es ist nur ein winzig kleiner Würfel, mit einem Volumen von 0,0000005 Kubikzentimetern. Und doch steckt darin ein Netzwerk aus rund 7000 Kabeln und ihren 400 000 Knotenpunkten. Dessen dreidimensionalen Schaltplan hat ein Team vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt jetzt in »Science« vorgestellt (Originalbild siehe oben). Nach Angaben der Forscher handelt es sich um den größten detaillierten Schaltplan vom Kortex eines Säugetieres, rund 26-mal größer als das bisher größte derartige Konnektom.

Das Gewebe stammt aus einem Teil des somatosensorischen Kortex einer Labormaus, der vor allem Berührungen verarbeitet. Mittels Elektronenmikroskopie rekonstruierten die Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter die 500 000 Kubikmikrometer Hirngewerbe, darin zirka 7000 Axone und rund 400 000 Synapsen, also die Kabel und Kontaktstellen von Nervenzellen. Sie verknüpften dabei menschliche Datenanalysen mit bildverarbeitender künstlicher Intelligenz. »Sieben Jahre Arbeit«, kommentiert der MPI-Direktor Helmstaedter auf Twitter.

Dabei identifizierten die Forscher auch hemmende und erregende Neuronensubtypen. Außerdem entdeckten sie im Hirngewebe der vier Wochen alten Labormaus Spuren von Lernprozessen, erkennbar am Zusammenhang zwischen Wachstum und Verstärkung der Synapsen. Letztere zeige, wenn die Maus lerne – etwa eine Katze zu erkennen, wie Erstautor Alessandro Motta in der Pressemitteilung des MPI erläutert. Aus der Momentaufnahme der kortikalen Schaltkreiskarte habe das Team ableiten können, wie häufig solche Lernprozesse in diesem Stück Hirngewebe stattfanden.

Die Konnektomforschung kartiert neuronale Netzwerke, um deren Aufbau und Funktionsweise zu verstehen. Doch erst seit wenigen Jahren ist es überhaupt möglich, die Verschaltung in Teilen eines Säugetiergehirns vollständig abzubilden. Das menschliche Konnektom umfasst rund 86 Milliarden Nervenzellen, jede im Schnitt mit etwa 1000 anderen verbunden und rund 1000-mal dünner als ein menschliches Haar. Würde man alle menschlichen Hirnzellen aneinanderhängen, kämen sie auf eine Länge von zirka fünf Millionen Kilometern, schätzen die Forscher – zehnmal länger als alle Autobahnen der Erde. Obwohl die neue 3-D-Karte die größte ist, beschreibt sie lediglich ein Netzwerk von insgesamt 2,7 Meter Kabellänge.