Ein detaillierter 3D-Atlas eines menschlichen Gehirns

Eine neue Ressource wird es Wissenschaftlern ermöglichen, die Anatomie eines einzelnen Gehirns in drei Dimensionen viel detaillierter als zuvor zu untersuchen. Die als BigBrain bezeichnete Ressource wurde im Rahmen des European Projekt des menschlichen Gehirns und ist online frei verfügbar für Wissenschaftler zu verwenden.

Verknüpfungen aufbauen: Die Ausstülpungen in diesem 3D-Modell eines Neurons sind präsynaptische Terminals – Punkte, an denen die Zelle Verbindungen mit anderen Neuronen bildet.

Die Forscher des BigBrain unter der Leitung von Katrin Amunts vom Forschungszentrum Jülich und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf haben das Gehirn einer gesunden, verstorbenen 65-jährigen Frau mittels MRT abgebildet und das Gehirn anschließend in Paraffinwachs eingebettet und geschnitten in 7.400 Scheiben von jeweils nur 20 Mikrometer Dicke. Jede Schicht wurde auf einem Objektträger montiert und unter Verwendung eines Flachbettscanners digital abgebildet.

Alan Evans , Professor am Montreal Neurological Institute der McGill University in Montreal, Kanada, und leitender Autor eines Artikels, der die Ergebnisse in der Zeitschrift berichtet Wissenschaft , sagt, sein Team habe sich dann der technischen Herausforderung gestellt, 7.500 Bogen Saran Wrap mittels digitaler Bildverarbeitung zu einem dreidimensionalen Objekt zusammenzuheften. Viele Schnitte wiesen kleine Risse, Risse und Verzerrungen auf. Daher bearbeitete das Team die Bilder manuell, um größere Schäden zu beheben, und verwendete dann ein automatisiertes Programm für kleinere Korrekturen. Geleitet von zuvor aufgenommenen MRT-Bildern und Beziehungen zwischen benachbarten Abschnitten, richteten sie die Abschnitte dann aus, um ein kontinuierliches 3D-Objekt zu erstellen, das etwa ein Terabyte an Daten darstellt.

Aufgeschnitten: Die Forscher verwendeten ein Werkzeug namens Mikrotom, um ein Gehirn in 20 Mikrometer dicke Scheiben zu schneiden.

Evans sagt, dass existierende dreidimensionale Atlanten der menschlichen Gehirnanatomie normalerweise durch die Auflösung von MRT-Bildern begrenzt sind – etwa einen Millimeter. Der BigBrain-Atlas hingegen ermöglicht es, in jeder Dimension auf etwa 20 Mikrometer heranzuzoomen. Das reicht nicht aus, um einzelne Gehirnzellen zu analysieren, aber es ermöglicht zu unterscheiden, wie Zellschichten im Gehirn organisiert sind.

Joshua Sanes, ein Neurowissenschaftler an der Harvard University, sagt, dass das Projekt einen Schritt zur Verwirklichung des Wunsches der Neurowissenschaftler darstellt, das menschliche Gehirn mit einer zellulären Auflösung zu betrachten, [mit der] wir Mäuse- oder Fliegengehirne betrachten können. Aber obwohl der Atlas eine technische Errungenschaft ist, die einen beispiellosen Einblick in die Anatomie eines gesamten Gehirns bietet, kann er keine Fragen zur Gehirnaktivität oder -funktion oder zu den Verbindungen zwischen Gehirnzellen beantworten. Der Atlas repräsentiert auch nur ein einzelnes Gehirn, sodass er keine Variabilität zwischen Gehirnen erfasst.

Aber Evans sagt, dass es eine wichtige Ressource für die zukünftige Forschung sein kann. Eines der größeren Ziele mehrerer Gehirninitiativen weltweit – darunter das europäische Projekt und die entstehende BRAIN-Initiative in den USA (siehe The Brain Activity Map) – besteht darin, verschiedene Arten von Daten über die Struktur und Funktion des Gehirns zu integrieren und zu erstellen Computermodelle des Gehirns, um Prozesse wie die kindliche Entwicklung oder neurologische Erkrankungen zu untersuchen. Evans sagt, dass eine solche Arbeit davon abhängt, ein klares Bild der Anatomie des Gehirns als Referenz zu haben, und das BigBrain kann als Plattform dienen, auf der andere Informationen kartiert werden können. Es ist das Mutterschiff, sagt er.

Die Forscher planen, Studien durchzuführen, die das BigBrain mit anderen Arten von Daten integrieren und Fragen wie die Expression von Genen und die Verteilung von Neurotransmittern im Gehirn untersuchen. Sie hoffen, diese Arbeit in anderen Gehirnen wiederholen zu können, um zu sehen, wie sich ihre Strukturen unterscheiden.

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