Hochauflösende Bilder In einem Kubikmillimeter Mäusehirn stecken 84.000 Nervenzellen
Denken, Emotionen, Bewusstsein. Wie das Gehirn funktioniert, verstehen wir erst in Ansätzen. In einem winzigen Stück Gewebe haben Forschende nun extrem genau erkundet, wie Zellen verschaltet sind.
10.04.2025, 13.15 Uhr
Maus im Labor: Forschung zu Krankheiten wie Alzheimer
Foto:Westend61 / Getty Images
Ein Kubikmillimeter, das ist etwa so viel wie ein winziger Mohnsamen, und doch befinden sich in diesem Volumen Mäusegehirn rund 84.000 Neuronen. Das berichtet ein Team von insgesamt mehr als 150 Forschenden in einer Serie aufeinander aufbauender Studien. Außerdem gebe es etwa eine halbe Milliarde Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, sogenannte Synapsen, und rund 5,4 Kilometer neuronale Verdrahtung.
Das erarbeitete Schaltbild vom Mäusegehirn und die dazugehörigen Daten haben eine Größe von 1,6 Petabyte. Das entspreche 22 Jahren ununterbrochener HD-Videowiedergabe, heißt es vom beteiligten Allen Institute, einer gemeinnützigen Forschungseinrichtung. Obwohl nur eine winzige Gewebeprobe untersucht worden sei, helfe der vollständige funktionelle Schaltplan dieses Hirnwürfels zu verstehen, wie das Gehirn insgesamt organisiert sei und wie verschiedene Zelltypen zusammenarbeiteten.
Die Ergebnisse des Gemeinschaftsprojekts »Microns« (Machine Intelligence from Cortical Networks) wurden in »Nature«-Fachjournalen veröffentlicht .
Generell bestehen Gehirne aus einem Netzwerk von Zellen, einschließlich der Neuronen, die durch Reize aktiviert und durch Synapsen verbunden werden. Kognitive Funktionen werden über dieses Netzwerk gesteuert, indem Neuronen aktiviert werden und Signale über Synapsen an andere Zellen weitergeben.
1979 hatte der berühmte Molekularbiologe Francis Crick (1916–2004) dem Allen Institute zufolge erklärt, es sei unmöglich, einen genauen Schaltplan auch nur für einen Kubikmillimeter Hirngewebe zu erstellen, aus dem die Art und Weise hervorgehe, wie alle Neuronen darin feuerten. In den vergangenen sieben Jahren habe das weltweite »Microns«-Team dieses Ziel nun realistischer werden lassen. Crick hatte mit James Watson und Maurice Wilkins die Doppelhelixstruktur der DNA aufgeklärt, ein Meilenstein in der Biologie.
Bisher größter Schaltplan des Mäusegehirns
Die »Microns«-Wissenschaftler zeichneten zunächst mit speziellen Mikroskopen die Aktivität von rund 75.000 Neuronen in einem Teil des visuellen Kortex einer Maus auf, der einen Kubikmillimeter groß war. Währenddessen bekam das Tier verschiedene Videoaufnahmen vorgespielt. Es war genetisch so verändert, dass seine Neuronen ein fluoreszierendes Protein aussendeten, wenn sie aktiv waren.
Anschließend wurde die Maus getötet. Derselbe Kubikmillimeter ihres Gehirns wurde in rund 28.000 hauchdünne Scheibchen zerlegt. Von jeder Schicht wurden hochauflösende Bilder angefertigt. Ein anderes Team setzte künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen ein, um die Zellen und Verbindungen in 3D zu rekonstruieren.
Zusammen mit den Aufzeichnungen der Hirnaktivität sei das Ergebnis der bisher größte Schaltplan des Gehirns, teilte das Allen Institute mit. Insgesamt mehr als 200.000 Zellen, davon etwa 84.000 Neuronen, 524 Millionen synaptische Verbindungen und mehrere Kilometer Axone – Verzweigungen, die zu anderen Zellen führen – seien identifiziert worden. Unter anderem im Bereich der Axone würden die gewaltigen Datensätze derzeit weiter geprüft und verbessert.
Die Ergebnisse bieten dem Institut zufolge neue Möglichkeiten, das Gehirn zu untersuchen. Das betreffe auch Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson, Autismus und Schizophrenie, bei denen die neuronale Kommunikation gestört sei. »Wenn man ein kaputtes Radio hat und den Schaltplan kennt, kann man es besser reparieren«, sagte Mitautor Nuno da Costa. In Zukunft könne mit der Blaupause für die Gehirnverdrahtung in einer gesunden Maus das Gehirn kranker Mäuse analysiert werden, um Unterschiede zu finden.
Abweichungen von Art zu Art?
Zu den überraschendsten Erkenntnissen des Teams gehörte den Angaben zufolge, dass es ein neues Prinzip entdeckt hat, nach dem hemmende Zellen funktionieren, also solche, die Aktivität im Gehirn unterdrücken. Bisher sei angenommen worden, dass solche Zellen einfach direkt die Wirkung anderer Zellen dämpfen. Tatsächlich sei das Geschehen komplexer: Hemmende Zellen sprächen Zielzellen teils sehr selektiv an. Einige hemmende Zellen arbeiten zusammen und unterdrücken mehrere erregende Zellen, während andere präziser nur bestimmte Typen ansprechen, wie die Forschenden erläutern.
Zu den Schwächen der Analysen zählt, dass die Daten von einem einzigen Tier einer einzigen Art stammen und daher zunächst nur eingeschränkt verallgemeinerbar sind. Zudem enthielten sie von bestimmten Zelltypen jeweils nur wenige Exemplare.
Der visuelle Kortex von Mäusen habe Ähnlichkeiten mit dem anderer Säugetiere einschließlich des Menschen, erläutern die Forschenden. Es handele sich aber nur um eine kleine Region des Gehirns. Um komplette Schaltkreise zu untersuchen, seien umfassendere Karten erforderlich. Dafür müssten die nötige Technik und bestimmte Methoden erst weiter verbessert werden.
»Trotz dieser Einschränkungen stellt diese Arbeit einen großen Schritt nach vorn dar und bietet eine unschätzbare Gemeinschaftsressource für zukünftige Entdeckungen in den Neurowissenschaften«, schreiben Mariela Petkova und Gregor Schuhknecht von der Harvard University in Cambridge in einem begleitenden Kommentar in »Nature«. Das »Microns«-Projekt sei der bisher am umfassendsten zusammengestellte Datensatz, der die Gehirnstruktur mit der neuronalen Aktivität eines aktiven Säugetiers verbinde.
