Das Konnektom des Gehirns - von Verzweigung zu Verzweigung

Max-Planck-Forscher entwickeln neue Analysewerkzeuge, um Nervennetzwerke schnell und exakt zu rekonstruieren

Das menschliche Gehirn ist das komplizierteste aller Organe. Milliarden von Nervenzellen sind darin mit ihren Fortsätzen zu einem hochkomplexen, dreidimensionalen Netz verwoben. Die Kartierung dieses Netzwerks stellt Wissenschaftler bislang vor eine kaum lösbare Herausforderung. Ein Forscherteam am Heidelberger Max-Planck-Institut für medizinische Forschung hat nun eine Methode entwickelt, um die Mammutaufgabe anzugehen. Dazu haben sie zwei neue Computerprogramme entwickelt, KNOSSOS und RESCOP. Mithilfe dieser Analysewerkzeuge haben mehr als 70 Studenten gemeinsam einen Verbund von über 100 Nervenzellen kartiert – deutlich schneller und weniger fehleranfällig als mit bisherigen Methoden.

Rund 70 Milliarden Nervenzellen, Hunderttausende von Kilometern Leitungsbahnen – das menschliche Gehirn ist so komplex, dass es lange Zeit unmöglich schien, dieses Netzwerk im Detail abzubilden. Denn jedes einzelne dieser Neurone ist über fein verästelte Fortsätze, die Dendriten und Axone, mit etwa eintausend anderen Nervenzellen verbunden, mit denen es über elektrische Signale kommuniziert. Die Verschaltungen zwischen den Zellen sind entscheidend für die Funktion des Gehirns. Um dessen Funktionsweise zu erforschen, wollen Neurowissenschaftler daher die Struktur dieser Nervennetze – das Konnektom – aufklären und in einer dreidimensionalen Karte darstellen. Weil dieser Aufgabe bisher kein Computer gewachsen ist, sind sie bei der Rekonstruktion auf das menschliche Auge angewiesen. Doch die schiere Zahl an Zellverbindungen, die selbst in einem winzigen Gewebestück vorhanden sind, lässt das Unterfangen aussichtslos erscheinen – es sei denn, man verteilt es auf viele Schultern.

Moritz Helmstaedter, Kevin L. Briggman und Winfried Denk, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg, haben diese Vorgehensweise nun mit Erfolg getestet: Dazu haben sie eine spezielle Software namens RESCOP entwickelt, die die Ergebnisse vieler Beobachter zu einem Gesamtbild zusammenfasst. Mit der Unterstützung von mehr als 70 Studenten der Heidelberger Universität haben sie so den Verbund von über 100 Nervenzellen aus einem Stück Netzhaut des Auges in allen Einzelheiten rekonstruiert. Das untersuchte Gewebestück war dabei nicht größer als ein Sandkorn.

Um die Verbindungen zwischen den Nervenzellen zu verfolgen, haben die Studenten das Computerprogramm KNOSSOS verwendet, welches das Heidelberger Team entwickelt hat. Die Software trägt nicht umsonst den Namen der sagenumwobenen Palastes auf der griechischen Insel Kreta, der für seinen Irrgarten berühmt ist: „Den Verbindungen im Gehirn nachzuspüren ist mindestens so schwierig, wie den Weg aus einem mythologischen Labyrinth zu finden“, schildert Moritz Helmstaedter das Problem.

Um Nervennetze zu rekonstruieren, machen Forscher zunächst die Neurone in einem Gewebeschnitt mithilfe von Schwermetallfärbungen sichtbar. Unter Benutzung von dreidimensionalen elektronenmikroskopischen Bildern folgen sie dann ausgehend vom Zellkörper dem Verlauf der Dendriten und Axone und markieren die Verzweigungspunkte auf dem Bildschirm. Anschließend erstellen sie am Rechner ein dreidimensionales Bild des jeweiligen Ausschnitts. Nach und nach können sie sich so durch das Gewirr von Nervenzellen voranarbeiten. Ein langwieriges Unterfangen: Mit den bisher verfügbaren Programmen würde eine Person allein mindestens 30 Jahre brauchen, um einen Pfad von 30 Zentimetern zu rekonstruieren. Diese Verfahren sind zudem fehleranfällig, da die Verzweigungspunkte nicht immer leicht zu erkennen sind und die Aufmerksamkeit des Betrachters mit der Zeit nachlässt.

Die KNOSSOS Software verkürzt die benötigte Zeit beträchtlich: Verglichen mit den bisher verwendeten Programmen ist die Methode etwa 50mal schneller. Mithilfe von RESCOP ist es nun außerdem möglich, dass Dutzende Personen gleichzeitig an der Rekonstruktion mitarbeiten. Weil die Methode leicht zu erlernen ist, können auch Laien die Aufgabe übernehmen. Die meisten der Studenten arbeiteten von zu Hause aus und schickten ihre Ergebnisse elektronisch an die Wissenschaftler. Wie die Forscher nachweisen konnten, machten die besten Studenten dabei nicht mehr Fehler als erfahrener Neurobiologen. Dank ausgeklügelter Algorithmen ist RESCOP außerdem in der Lage, Unstimmigkeiten zu finden und herauszumitteln. Die Rekonstruktion ist damit nicht nur schneller, sondern auch zuverlässiger als bisher.

„Die neuen Programmen könnten es uns erstmals ermöglichen, das komplizierte Nervennetzwerk des Gehirns zu entwirren – eine Aufgabe, noch wesentlich komplexer als die Entschlüsselung des menschlichen Genoms“, sagt Winfried Denk. Als Nächstes wollen die Wissenschaftler ein Stück der Großhirnrinde rekonstruieren, denn dort finden alle wichtigen geistigen Prozesse statt.