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Hirnforschung: Hoffnung für das komplexe Gehirn

Mit Hilfe einer neuartigen, auf genetischen Barcodes basierenden Technik lassen sich die Verbindungen zwischen einzelnen Gehirnzellen in einem nie da gewesenen Umfang mühelos kartieren. Eine unerwartete Komplexität des visuellen Systems ist nur das erste Geheimnis, das diese Methode bislang enthüllt hat.
Computertomografien des GehirnsLaden...

Der Neurowissenschaftler Tony Zador sitzt hinter dem Schreibtisch seines Büros am Cold Spring Harbor Laboratory auf Long Island, New York, und dreht seinen Computerbildschirm zu mir herüber, um mir voller Stolz eine komplizierte, matrizenartige grafische Darstellung zu zeigen. Auf den ersten Blick sieht die Abbildung wie eine ganz normale Tabelle aus – ihre Zeilen und Spalten enthalten allerdings keine Zahlen, sondern sind mit Farben in den unterschiedlichsten Tönen und Abstufungen gefüllt. Beiläufig bemerkt mein Gegenüber: »Wenn ich den Leuten erzähle, dass ich die Verschaltungswege vieler zehntausend Nervenzellen herausgefunden habe und ihnen dann diese Grafik zeige, bekomme ich nur ein verständnisloses ›Häh?‹ als Antwort. Aber wenn sie dies hier sehen …«, der Forscher klickt eine Schaltfläche auf seinem Monitor an und plötzlich erscheint ein durchsichtiges, dreidimensionales, um seine eigene Achse rotierendes Hirnmodell, gefüllt mit unzähligen Knoten und Linien, »höre ich stattdessen: ›Was zum Teufel …!‹.«

Zador hat mir eine Karte von 50 000 Nervenzellen in der Großhirnrinde einer Maus präsentiert, auf der die Zellkörper der einzelnen Neuronen und die Zielorte ihrer langen Zellfortsätze, der Axone, exakt vermerkt waren. Nie zuvor war es Wissenschaftlern gelungen, eine derartig umfangreiche und detaillierte neuronale Karte zu erstellen. Im Rahmen seiner Experimente verzichtete Zador auf die klassische Methode der Hirnkartierung, bei der einzelne Nervenzellen mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert werden, und verfolgte stattdessen einen unkonventionellen Ansatz, der an die lange molekularbiologische Forschungstradition seines Instituts anknüpfte. Mit Hilfe gentechnischer Methoden schleuste er in jedes Neuron eine zellspezifischen RNA-Sequenz, den so genannten Barcode, ein. Anschließend zerteilte er das Mäusehirn wie einen Blechkuchen in kleine Würfel, die er in einem DNA-Sequenziergerät analysierte. Das Ergebnis: eine dreidimensionale Darstellung von 50 000 Neuronen in der Großhirnrinde einer Maus (denen schon bald weitere 50 000 folgen sollen), aufgelöst auf Einzelzellebene.

Momentan werden diese Studien – Zadors Meisterwerk – noch einmal überarbeitet, um ihnen für eine geplante Publikation den letzten Schliff zu geben. In einem kürzlich in der Fachzeitschrift »Nature« veröffentlichten Artikel konnte der Wissenschaftler jedoch bereits gemeinsam mit seinen Kollegen zeigen, dass die von ihm entwickelte Technik namens MAPseq (Multiplexed Analysis of Projections by Sequencing) dazu in der Lage ist, neue Zelltypen und nie zuvor beobachtete Projektionsmuster aufzuspüren. Im Hinblick auf die Genauigkeit erbrachten die Forscher zudem den Nachweis, dass das neuartige Hochdurchsatzverfahren zur Hirnkartierung der Fluoreszenzmarkierung durchaus ebenbürtig ist, der gegenwärtigen Standardmethode, die allerdings am besten bei einer geringen Zahl von Nervenzellen funktioniert.

Frust im Job machte erfinderisch

Die Idee zu diesem Projekt entstand aus der zunehmenden Frustration Zadors während seiner »hauptberuflichen Arbeit« als Neurophysiologe, wie er seine Tätigkeit ironisch bezeichnet. Der Amerikaner erforscht den Einfluss auditiver Wahrnehmung auf das Entscheidungsverhalten bei Nagetieren: die Art und Weise, in der das Tiergehirn Geräusche »hört«, die auditiven Informationen verarbeitet und schließlich eine Reaktion in Form einer Verhaltensweise oder Handlung festlegt.

Elektrophysiologische Ableitungen und die anderen herkömmlichen Werkzeuge zur Untersuchung derartiger Fragestellungen hatten bei dem Forscher mit einem Faible für Mathematik häufig ein Gefühl der Unzufriedenheit zurückgelassen. Laut Zador besteht das eigentliche Problem darin, dass wir das Prinzip der Verschaltung von Neuronen nicht ausreichend verstehen. Und genau das ist der Grund, aus dem der Wissenschaftler seine »Nebenbeschäftigung« aufnahm und sich der Entwicklung bildgebender Verfahren zur Darstellung des Gehirns und seiner Bestandteile widmete.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik stellt der Allen Brain Atlas, ein mehr als 25 Millionen US-Dollar (etwa 21 Millionen Euro) teures Forschungsprojekt, das die langjährigen Bemühungen vieler Labore in sich vereinigt, das Standardwerk auf dem Gebiet der Hirnkartierung dar. Bei der Erstellung dieser Sammlung von Hirnkarten wurden bereits bekannte Subpopulationen von Neuronen und die von ihnen ausgehenden Reizleitungsbahnen, auch Projektionen genannt, als Gruppen untersucht; daher liefert der Allen Brain Atlas nur eine sehr grobe Darstellung der neuronalen Verschaltungswege. Selbst wenn sich diese Informationen für viele Forscher als äußerst nützlich erwiesen haben, ist es dennoch anhand des Kartenwerks nicht möglich, innerhalb der Gruppen oder Neuronen-Subpopulationen weitere Differenzierungen vorzunehmen.

Fehlendes Wissen über neuronale Verschaltungen lähmt KI

Wenn wir je herausfinden wollen, wie eine Maus ein hohes Trillern wahrnimmt, wie sie dieses Geräusch verarbeitet und schlussfolgert, dass eine Belohnung in Form eines Erfrischungsgetränks auf sie wartet, und wie sie letztlich diese neuen Erinnerungen ablegt, um sich das köstliche Erlebnis zu einem späteren Zeitpunkt wieder ins Gedächtnis zu rufen, benötigen wir zuallererst eine Karte oder einen Schaltplan des Gehirns. Zadors Ansicht nach ist fehlendes Wissen über die Art und Weise jener neuronalen Verschaltungen teilweise dafür verantwortlich, dass in der Behandlung psychischer Erkrankungen bisher keine größeren Fortschritte erzielt wurden und dass künstliche Intelligenz noch immer nicht ganz so intelligent ist, wie es ihr Name eigentlich verspicht.

Der Neurowissenschaftler Justus Kebschull von der kalifornischen Stanford University, Koautor des kürzlich erschienenen »Nature«-Artikels und ehemaliger Doktorand in Zadors Arbeitsgruppe, machte in diesem Zusammenhang deutlich, dass neurowissenschaftliche Forschung ohne Kenntnis der neuronalen Schaltpläne in etwa so sei, »als würde man versuchen, die Funktionsweise eines Computers zu verstehen, indem man ihn von außen betrachtet und dann eine Elektrode hineinsteckt, in der Hoffnung, irgendetwas herauszufinden. … Wenn man nicht weiß, dass die Festplatte mit dem Prozessor verbunden ist und der USB-Pod das gesamte System mit neuen Informationen versorgt, kann man kaum nachvollziehen, was im Inneren des Geräts eigentlich passiert.«

Die zündende Idee zur Entwicklung von MAPseq kam Zador, als er von einer anderen Hirnkartierungsmethode namens Brainbow erfuhr. Das aus dem Labor von Jeff Lichtmann an der Harvard University stammende Verfahren erlaubt in beeindruckender Weise die gleichzeitige genetische Markierung von bis zu 200 Neuronen, indem es sich verschiedener Kombinationen von Fluoreszenzfarbstoffen bedient. Die Brainbow-Methode liefert bestechend farbenfrohe Bilder, auf denen neonfarbene Nervenzellen und das unübersichtliche Gewirr aus Zellkörpern und Axonen in allen Einzelheiten zu sehen ist. Jene bahnbrechenden Arbeiten weckten Hoffnungen, dass eine Kartierung des Konnektoms, der Gesamtheit aller Nervenverbindungen im Gehirn, schon bald in greifbare Nähe rücken sollte. Unglücklicherweise wurde jedoch die praktische Anwendung der Methode dadurch eingeschränkt, dass Forscher beim Blick durch das Mikroskop lediglich fünf bis zehn verschiedene Farben eindeutig voneinander abgrenzen konnten, was jedoch bei Weitem nicht ausreichte, um das Durcheinander aus Nervenzellen in der Großhirnrinde zu entwirren und eine größere Zahl von Neuronen gleichzeitig zu kartieren.

»Unter Mathematikern heißt dieser Ansatz, ein ungelöstes Problem auf ein bereits gelöstes zu reduzieren«(Tony Zador)

An dieser Stelle ging Zador ein Licht auf, denn er erkannte, dass sich die in der enormen Komplexität des Konnektoms liegende Herausforderung vielleicht meistern ließe, wenn sich Wissenschaftler die zunehmende Geschwindigkeit und sinkenden Kosten von Hochdurchsatzmethoden zur Genomsequenzierung zu Nutze machten. »Unter Mathematikern heißt dieser Ansatz, ein ungelöstes Problem auf ein bereits gelöstes zu reduzieren«, erklärte der Neurophysiologe.

Beim MAPseq-Verfahren werden genetisch modifizierte Viren, die eine Vielzahl bekannter RNA-Sequenzen – die Barcodes – in sich tragen, in das Gehirn eines Versuchstiers injiziert. Nach einer Woche haben sich die Viren hinreichend vermehrt und jede Nervenzelle mit einer ganz bestimmten Kombination von Strichcodes ausgestattet. Wenn die Forscher das Gehirn zur weiteren Analyse in Stücke zerlegen, sind sie anhand der RNA-Sequenzen in der Lage, den Verlauf einzelner Neuronen von einem Präparat zum nächsten nachzuvollziehen.

Zadors Erkenntnisse mündeten schließlich in den jüngst veröffentlichten Nature-Artikel, in dem er die Ergebnisse seiner Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe des Neurowissenschaftlers Thomas Mrsic-Flogel vom University College London präsentiert. Mit Hilfe von MAPseq hatten die Forscher die von nahezu 600 Nervenzellen ausgehenden Projektionen im visuellen System der Maus ausfindig gemacht. Gemessen an den mehreren zehn Millionen Neuronen im Inneren eines Mäusehirns sind 600 Nervenzellen ein vergleichsweise bescheidener Anfang. Die Wissenschaftler verfolgten jedoch einen bestimmten Zweck, für den sich dieser Probenumfang als ausreichend erwies: Sie wollten herausfinden, ob die Verschaltungsmuster im Gehirn bestimmten Strukturen folgten, die möglicherweise Aufschluss über die Funktion der beteiligten Nervenbahnen geben könnten.

Welche Information empfängt ein Neuron?

Laut einer gegenwärtig populären Theorie zur visuellen Informationsverarbeitung empfängt ein individuelles Neuron in der Sehrinde nur einen spezifischen Bruchteil einer aus dem Auge ankommenden Information, beispielsweise über die Konturen eines im Gesichtsfeld befindlichen Objekts, über eine spezielle Art der Bewegung oder bezüglich der räumlichen Orientierung. Dieses Neuron sendet sein Signal daraufhin an eine ganz bestimmte Hirnregion, die auf die Verarbeitung von genau dieser Art von Informationen spezialisiert ist.

Zur Überprüfung der Theorie kartierte das Forscherteam zunächst auf traditionellem Weg eine Hand voll Mäuseneuronen, indem sie einen genetisch kodierten Fluoreszenzfarbstoff in diese Zellen einschleusten. Mit Hilfe mikroskopischer Methoden verfolgten sie anschließend, wie sich die Zellen von der primären Sehrinde (der Gehirnregion, in der die visuellen Informationen des Auges ankommen) zu ihren Zielorten in anderen Hirnarealen ausbreiteten. Die Wissenschaftler entdeckten, dass sich die Axone der Nervenzellen verzweigten und ihre Signale gleichzeitig an mehrere Gehirnbereiche weiterleiteten – ein Resultat, das die Theorie einer Eins-zu-eins-Zuordnung von Neuronen und speziellen Hirnregionen eindeutig widerlegt.

Als Nächstes untersuchten die Forscher, ob die neuronalen Projektionen ein bestimmtes Muster erkennen ließen. Mit Hilfe von MAPseq spürten sie 591 Nervenzellen nach, während diese unter Ausbildung zahlreicher Verästelungen verschiedene Zielregionen innervierten. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Ausbreitung der Axone nach einem bestimmten Schema erfolgte: Einige Nervenzellen sandten zum Beispiel ihre Fortsätze immer in die Hirnregionen A, B und C, innervierten jedoch nie die Bereiche D oder F.

Visuelles System weit komplexer als gedacht

Diese Ergebnisse deuten an, dass das visuelle System verwirrend viele Ebenen von Quervernetzungen aufweist, deren Verbindungsmuster weitaus komplizierter sind als die ursprünglich angenommene Eins-zu-eins-Verschaltung. »Die höheren visuellen Zentren erhalten nicht nur Informationen, die speziell auf sie zugeschnitten sind«, erläutert Kebschull, sondern sie empfangen vielfach dieselben Eingangssignale. »Ihre Informationsverarbeitungsprozesse könnten daher eng miteinander verknüpft sein.«

Die Tatsache, dass bestimmte Zellen gezielt in definierte Hirnareale projizieren, bedeutet jedoch auch, dass in der Sehrinde spezialisierte, bislang unidentifizierte Zellen vorhanden sind. Kebschull hat die von ihm und seinen Forscherkollegen erstellte Hirnkarte mit einem Bauplan des Gehirns verglichen, der es zukünftigen Wissenschaftlern ermöglichen wird, die Funktion jener unbekannten Zellen herauszufinden. »MAPseq gibt uns eine Gelegenheit, die Hardware des Gehirns zu skizzieren. Wenn wir mit dieser vertraut sind, können wir uns im nächsten Schritt mit der Software und den Vorgängen bei der Informationsverarbeitung befassen«, so der Neurowissenschaftler.

Der Wettbewerbsvorteil, den MAPseq solchen Forschungsarbeiten im Hinblick auf Schnelligkeit und Kosten verleiht, ist beträchtlich. Laut Zador sollte diese Methode in der Lage sein, innerhalb von ein bis zwei Wochen eine Probenmenge von etwa 100 000 Neuronen zu bewältigen – zu einem Preis von nur 10 000 US-Dollar (knapp 8500 Euro). Das Verfahren wäre also weitaus schneller als die gängigen Kartierungsverfahren und würde zudem nur einen Bruchteil der Kosten verschlingen.

Angesichts dieser Vorteile ließen sich eine Kartierung der Nervenbahnen zahlreicher Gehirne und eine anschließende vergleichende Untersuchung in Zukunft deutlich leichter realisieren. Die Erforschung psychischer Erkrankungen und neurologischer Entwicklungsstörungen wie Schizophrenie oder Autismus, die vermutlich aus einer anderen Verschaltung im Gehirn resultieren, hat den beteiligten Forschern in der Vergangenheit oft frustrierende Erfahrungen beschert, da die zur Verfügung stehenden Werkzeuge die neuronalen Vernetzungen nicht ausreichend erfassten.

Hoffnung für die Erforschung psychischer Erkrankungen

Es ist durchaus vorstellbar, dass Wissenschaftler künftig in der Lage sein werden, solche Erkrankungen und Entwicklungsstörungen im Mausmodell detaillierter zu erforschen, indem sie Hirnkarten von Versuchstieren erstellen und diese mit denen gesunder Tiere vergleichen; gleichzeitig könnten die Ergebnisse ihrer Studien den Grundstein für weitere Forschungsprojekte legen. »Eine Vielzahl psychischer Störungen werden durch Probleme auf neuronaler Verschaltungsebene verursacht«, unterstreicht Hongkui Zeng, geschäftsführende Direktorin der Abteilung für strukturierte Wissenschaft am Allen Institute for Brain Science. »In Zukunft werden uns die Verschaltungswege sagen, worauf wir unser Augenmerk richten müssen.«

»Tonys Blick auf das Gehirn ist völlig unvoreingenommen«(Sreekanth Chalasani)

Die Hirnkartierung im Hochdurchsatzverfahren verschafft Forschern zugleich die Möglichkeit, eine Vielzahl weiterer neurologischer Daten zu sammeln und nach Mustern zu suchen, die allgemeine Prinzipien der Arbeitsweise unseres Gehirns widerspiegeln. »Tonys Blick auf das Gehirn ist völlig unvoreingenommen«, konstatiert Sreekanth Chalasani, Experte für molekulare Neurobiologie am Salk Institute in La Jolla, Kalifornien. »Genauso wie die Karte des menschlichen Genoms als ein Gerüst fungiert, an dem Wissenschaftler ihre Hypothesen überprüfen und nach Gensequenz- und Funktionsmustern Ausschau halten, könnte Tonys Verfahren ein vergleichbares Hilfsmittel für die Gehirnforschung bedeuten.«

Selbst wenn die Entschlüsselung des menschlichen Genoms nicht dazu geführt hat, dass sich auf einen Schlag sämtliche Geheimnisse der Biologie erklären ließen, lieferte sie dennoch eine molekularbiogische Stückliste, die ihrerseits den Weg für zahlreiche weiterführende Forschungsvorhaben bereitete. Und auch MAPseq kann, zumindest nach derzeitigem Entwicklungsstand, noch keinerlei Informationen über die Funktion oder die exakte Position der im Rahmen dieser Methode markierten Zellen liefern, oder etwa nachweisen, welche Zellen miteinander kommunizieren. Zador allerdings möchte seine Technik schon bald um derartige Möglichkeiten erweitern. Zudem arbeitet er eng mit Wissenschaftlern zusammen, die definierte Bereiche des Gehirns, etwa die der Angstkonditionierung zu Grunde liegenden neuronalen Schaltkreise, genauer erforschen.

»Meiner Meinung nach lassen sich aus neuronalen Verschaltungswegen durchaus gewisse Erkenntnisse ableiten, aber erst die Möglichkeiten, die sie eröffnen, machen sie für die zukünftige Forschung so bedeutsam – ähnlich wie Gensequenzen, die an sich ja auch ziemlich uninteressant sind. Und das ist es, was mich so enthusiastisch macht«, gesteht Zador. »Ich bin zuversichtlich, dass unser Verfahren das nötige Rüstzeug für die nächste Generation von Arbeiten auf diesem Forschungsgebiet bereitstellen wird.«

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Von Spektrum der Wissenschaft übersetzte und redigierte Fassung des Artikels New Brain Maps With Unmatched Detail May Change Neuroscience aus Quanta Magazine, einem inhaltlich unabhängigen Magazin der Simons Foundation, die sich die Verbreitung von Forschungsergebnissen aus Mathematik und den Naturwissenschaften zum Ziel gesetzt hat.

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