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Konnektomik: Das Dilemma der Hirnforschung

Ein großes Forschungsziel lautet, das Gehirn mit all seinen Nervenzellen und Verknüpfungen zu kartieren. Aber wie werden wir aus den Datenmengen schlau?

An einem kühlen Abend im Herbst 2019 starrte ich aus den raumhohen Fenstern meines Büros am Rande des Harvard-Campus auf die untergehende Sonne. Ich hatte gerade über den Ergebnissen meiner Experimente zum Rattenhirn gebrütet und dachte nun an die kalten, fensterlosen Räume des Hochleistungsrechenzentrums, wo Computerserver die wertvollen 48 Terabyte meiner Daten aufbewahrten. Die 13 Billionen Messwerte hatte ich im Rahmen meiner Doktorarbeit erhoben, bei der ich der Frage nachging, wie die Sehrinde der Ratte auf Bewegungen reagiert.

Auf Papier mit doppeltem Zeilenabstand ausgedruckt würden die Zahlen 116 Milliarden Seiten füllen. Dennoch umfasste der Hauptteil der Promotionsschrift am Ende weniger als zwei Dutzend Seiten. Die Durchführung der Experimente hatte dabei noch den einfacheren Part der Arbeit dargestellt. Das letzte Jahr meiner Promotion verbrachte ich damit, aus den Ergebnissen schlau zu werden und die Essenz zu Papier zu bringen.

So gigantisch mein Datensatz auch ist – er stellt nur einen Bruchteil dessen dar, was das Gehirn an Informationen bereithält. Und die Fragen, die ich damit beantworten möchte, erscheinen trivial im Vergleich zu dem ultimativen Ziel der Neurowissenschaften: die Funk­tions­weise des Gehirns zu verstehen!

Jede wissenschaftliche Studie beginnt mit einer Frage­stellung. Diese sinnvoll zu formulieren, ist jedoch schwieriger als oft angenommen. Den Forscherinnen und Forschern ergeht es dabei ähnlich wie Gästen in einem Restaurant: Sie würden am liebsten alles probieren, was auf der Speisekarte steht, müssen aber eine Auswahl treffen. Ganz zu Beginn ihrer wissenschaftlichen Karriere wählen sie einen Fachbereich, dann ein Teil­gebiet davon, sie arbeiten sich durch die Literatur und überlegen sich schließlich eigene Forschungsziele zu speziellen Themen.

Dabei handelt es sich um winzige Puzzleteile, und es schwingt immer auch die Hoffnung mit, dass wir irgendwann lediglich alle Teile zusammenfügen müssen, um das große Ganze zu verstehen. Aber ist das wirklich so einfach, wie es klingt? ...

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  • Quellen

Baena, V. et al.: Serial-section electron microscopy using automated tape-collecting ultramicrotome (ATUM). Methods in Cell Biology 152, 2019

Guitchounts, G. et al.: Encoding of 3D head orienting movements in primary visual cortex. Neuron 108, 2020