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• Einem Frau wurde 2014 ein winziger Abschnitt ihrer Großhirnrinde entfernt, was Forschern ermöglichte, das detallierteste Schaltbild des menschlichen Gehirns zu erstellen. Forscher von Harvard und Google verbrachten zehn Jahre damit, eine detaillierte Karte des Gehirngewebes zu erstellen, die 57.000 Zellen und 150 Millionen Synapsen enthält. Das Gewebe wurde mit Schwermetallen gefärbt und in extrem dünne Schichten geschnitten, um Elektronenmikroskopbilder zu erhalten, die sich auf 1,4 Petabyte an Daten summierten. Technologien wie maschinelles Lernen ermöglichten es, diese 2D-Bilder zu 3D-Rekonstruktionen zu verarbeiten und einzelne Zelltypen zu kategorisieren. Die Gehirnkarte wurde als Open Access veröffentlicht und hilft, die Forschung in Neurowissenschaften voranzutreiben und könnte auch zu Fortschritten in der Behandlung von psychischen Erkrankungen führen.

Dieses Bild könnte in einer Galerie hängen, doch es begann als winziges Stück Gehirn einer Frau. Im Jahr 2014 wurde einer Frau während einer Operation gegen Epilepsie ein winziger Abschnitt ihrer Großhirnrinde entfernt. Dieses kubische Millimeter Gewebe ermöglichte es Forschern von Harvard und Google, das detaillierteste Schaltbild des menschlichen Gehirns zu erstellen, das die Welt je gesehen hat. Biologen und Experten für maschinelles Lernen verbrachten zehn Jahre damit, eine detaillierte Karte des Gehirngewebes zu erstellen, das etwa 57.000 Zellen und 150 Millionen Synapsen enthält. Es zeigt Zellen, die sich um sich selbst wickeln, paarweise angeordnete Zellen und eiförmige “Objekte”, die laut Forschung schwer zu kategorisieren sind. Dieses überwältigend komplexe Diagramm wird erwartet, die wissenschaftliche Forschung voranzutreiben, von der Erkundung menschlicher neuronaler Schaltkreise bis hin zu potenziellen Behandlungen für Störungen.

Erkenntnisse und Potenziale

„Wenn wir Dinge mit einer sehr hohen Auflösung kartieren, alle Verbindungen zwischen verschiedenen Neuronen sehen und diese im großen Maßstab analysieren, könnten wir Regeln der Verdrahtung identifizieren“, sagt Daniel Berger, einer der leitenden Forscher des Projekts und Spezialist für Konnektomik, die Wissenschaft der Verbindungen einzelner Neuronen zur Bildung funktionaler Netzwerke. „Daraus könnten wir Modelle erstellen, die mechanistisch erklären, wie Denken funktioniert oder wie Erinnerungen gespeichert werden.“ Jeff Lichtman, Professor für molekulare und zelluläre Biologie an der Harvard-Universität, erklärt, dass Forscher in seinem Labor unter der Leitung von Alex Shapson-Coe die Gehirnkarte erstellten, indem sie subzelluläre Bilder des Gewebes mithilfe der Elektronenmikroskopie aufnahmen.

Das Gewebe des Gehirns der 45-jährigen Frau wurde mit Schwermetallen gefärbt, die an Lipidmembranen in Zellen binden. Dies wurde getan, damit Zellen bei der Betrachtung durch ein Elektronenmikroskop sichtbar werden, da Schwermetalle Elektronen reflektieren.

Technologische Herausforderungen und Lösungen

Das Gewebe wurde dann in Harz eingebettet, damit es in extrem dünne Schichten geschnitten werden konnte, nur 34 Nanometer dick (zum Vergleich: die Dicke eines typischen Stücks Papier beträgt etwa 100.000 Nanometer). Dies wurde getan, um die Kartierung zu erleichtern, erklärt Berger—um ein dreidimensionales Problem in ein zweidimensionales zu transformieren. Danach erstellte das Team Elektronenmikroskopbilder jeder 2D-Schicht, was sich auf gewaltige 1,4 Petabyte an Daten summierte. Sobald die Harvard-Forscher diese Bilder hatten, wandten sie sich an Google. Ein Team des Technologieriesen unter der Leitung von Viren Jain richtete die 2D-Bilder mit maschinellen Lernalgorithmen aus, um 3D-Rekonstruktionen mit automatischer Segmentierung zu erstellen, bei der Komponenten innerhalb eines Bildes—beispielsweise verschiedene Zelltypen—automatisch differenziert und kategorisiert werden. Einige der Segmentierungen erforderten „Ground-Truth-Daten“, bei denen Berger (der eng mit Googles Team zusammenarbeitete) einige der Gewebeteile manuell nachzeichnete, um die Algorithmen weiter zu informieren.

Digitale Technologie ermöglichte es Berger, alle Zellen in dieser Gewebeprobe zu sehen und sie je nach Größe unterschiedlich zu färben. Traditionelle Methoden zur Bildgebung von Neuronen, wie das Färben von Proben mit einem als Golgi-Färbung bekannten chemischen Mittel, das seit über einem Jahrhundert verwendet wird, lassen einige Elemente des Nervengewebes verborgen.

Einblicke und künftige Forschungen

In dem obigen Beispiel färbte Berger die kleinsten Zellen blau und die größten Zellen rot, wobei alle anderen Zellen dazwischen auf einem Farbspektrum lagen. Dies half den Forschern, die sechs Kortikalschichten und das weiße Gehirn zu identifizieren. Während es den Forschern gelungen ist, Strukturen aus den Daten zu identifizieren, besteht eine der laufenden Schwierigkeiten des Projekts darin, die automatische Segmentierung zu überprüfen. Dies erfordert manuelles Durchsuchen jedes Teils der 3D-Karte, um Fehler bei der Segmentierung zu überprüfen. „Dies ist eine enorme Herausforderung für uns Menschen, da wir jetzt Datensätze erzeugen, die größer sind, als ein einzelner Mensch erleben kann“, sagt Lichtman.

In Teilen der Daten, die überprüft wurden, sagt Berger, dass bestimmte Zellen „wirklich daran interessiert zu sein scheinen, Kontakte zu knüpfen.“ Die Forscher haben Beispiele für über 50 Synapsen zu einem einzigen Neuron gefunden, was laut Berger ein Phänomen ist, das bisher übersehen wurde und für die kortikale Verarbeitung von zentraler Bedeutung sein könnte.

Neben der Identifizierung von Strukturen und Verbindungen haben die Forscher auch abnormale Zellen erkannt. Berger stieß auf ein nicht identifizierbares eiförmiges „Objekt“ (viel kleiner als ein Zellkörper, aber Teil einer Zelle), als er versuchte, jede Zelle im Datensatz systematisch zu kategorisieren. Andere zweideutige Zellen sind solche, die scheinbar spiegelbildlich geformt sind und „verwickelte“ Zellen, die sich um sich selbst wickeln; bis weitere Forschungen durchgeführt werden, bleiben diese Zellen ein Rätsel.

Die Gehirnkarte wurde als Open Access veröffentlicht, was bedeutet, dass diese Bilder grenzenlose Möglichkeiten für den Fortschritt in der Neurowissenschaft eröffnet haben, insbesondere da dies der erste öffentlich verfügbare Schaltplan des menschlichen Gehirns auf subzellulärer Ebene ist. Berger und Lichtman betonten, dass sie nicht mit konkreten Entdeckungszielen in dieses Projekt gegangen sind, sondern vielmehr die „Möglichkeit zur Beobachtung“ schaffen wollten, und aus dieser erwarten sie, dass „weitere Erkenntnisse sowohl aus dem Lichtman-Labor als auch von externen Forschern kommen werden.“

Berger erwartet Fortschritte beim Verständnis und der Behandlung von psychischen Erkrankungen wie Schizophrenie. Potenzielle zukünftige Entdeckungen könnten sich auch über das Gehirn hinaus erstrecken, da Berger glaubt, dass die Funktionen des biologischen Gehirns genutzt werden könnten, um tiefgehende KI-Systeme und deren Strukturen zu verbessern.

Zukünftige Projekte

In Bezug auf zukünftige Projekte plant das Lichtman-Labor an der Harvard-Universität, die Zusammenarbeit mit Google fortzusetzen, um „diese Darstellung auf eine andere Skala von tausend“ zu erweitern, indem ein ganzes Mausgehirn untersucht wird. Das Forschungslabor arbeitet auch an weiteren Menschenghirnproben, um die Forschung auf andere Regionen des Gehirns auszuweiten. Dies wird die bereits unschätzbare Ressource weiter verbessern und ihre Fähigkeit zur Information und Erweiterung zukünftiger Entdeckungen optimieren.