Die detaillierteste Karte des menschlichen Gehirns: Rekonstruktion eines Kubikmillimeters Großhirnrinde

Die Doktorandin Marta Arbizu Gómez analysiert die Karte eines Kubikmillimeters Großhirnrinde mit nanometergenaue Auflösung – ein Meilenstein der Konnektomik mit zentraler Bedeutung für die professionelle kognitive Rehabilitation.

Forschenden ist ein Meilenstein der Konnektomik gelungen: Sie haben eine der bislang detailliertesten Karten des menschlichen Gehirns erstellt. Die Entdeckung „ultrastarker“ multisynaptischer Verbindungen und das Glia-Neuronen-Verhältnis von 2:1 definieren die Untersuchung neuronaler Schaltkreise neu. Für Fachleute der Neurorehabilitation bilden diese Daten die Grundlage für präzisere und individuellere Programme zur kognitiven Stimulation.

Warum brauchen wir detaillierte Karten des Gehirns?

Zu verstehen, wie das menschliche Gehirn funktioniert, ist eine der größten Herausforderungen der Neurowissenschaften. Obwohl wir dank Verfahren wie der Magnetresonanztomografie oder der funktionellen Neurobildgebung viel über die allgemeine Organisation des Gehirns wissen, ermöglichen diese Methoden keine direkte Beobachtung der Verbindungen zwischen den Neuronen auf mikroskopischer Ebene.

Die kognitiven Funktionen – etwa Gedächtnis, Aufmerksamkeit oder Lernen – entstehen aus komplexen Netzwerken von Neuronen, die über Millionen von Synapsen verbunden sind. Bis vor Kurzem war es jedoch äußerst schwierig, diese Netzwerke in menschlichem Gewebe mit ausreichender Detailgenauigkeit zu rekonstruieren.

Eine 2024 in Science veröffentlichte Studie macht auf diesem Gebiet einen wichtigen Schritt nach vorn. Den Forschenden gelang es, einen etwa einen Kubikmillimeter großen Abschnitt menschlicher Großhirnrinde mit nanometergenaue Auflösung zu rekonstruieren und damit eine der bislang detailliertesten Karten des menschlichen Gehirns zu erstellen.

Diese Arbeit stellt einen entscheidenden Fortschritt auf dem Gebiet der Konnektomik dar, deren Ziel es ist, alle neuronalen Verbindungen des Gehirns zu kartieren.

Wie wurde diese Untersuchung des menschlichen Gehirns durchgeführt?

Das untersuchte Gehirngewebe wurde während eines neurochirurgischen Eingriffs zur Behandlung einer Epilepsie entnommen. Obwohl der Abschnitt klein ist – etwa 1 mm³ Temporalkortex –, weist er eine enorme strukturelle Komplexität auf.

Zur Untersuchung dieser Probe setzten die Forschenden serielle Elektronenmikroskopie ein, ein Verfahren, das Bilder mit nanometergenaue Auflösung aufnehmen kann. Das Gewebe wurde in Tausende ultradünne Schnitte zerlegt und anschließend digital rekonstruiert.

Insgesamt erzeugte die Studie:

• Mehr als 1,4 Petabyte an Bilddaten.
• Etwa 57.000 identifizierte Zellen.
• Nahezu 150 Millionen nachgewiesene Synapsen.

Diese Daten wurden mithilfe fortschrittlicher Werkzeuge für maschinelles Lernen und dreidimensionale Rekonstruktion analysiert. Dadurch konnten Neuronen, Gliazellen, Blutgefäße und synaptische Verbindungen innerhalb des untersuchten Volumens identifiziert werden.

Die obige Abbildung veranschaulicht die enorme strukturelle Komplexität, die in einem äußerst kleinen Volumen der Großhirnrinde enthalten ist, und macht die technische Herausforderung deutlich, die die Rekonstruktion menschlicher neuronaler Schaltkreise in diesem Maßstab darstellt.

Was offenbart die mikroskopische Struktur der Großhirnrinde?

Die detaillierte Analyse ermöglichte eine Beschreibung der Organisation des Gehirngewebes auf mikroskopischer Ebene.

Im untersuchten Volumen bestand das sogenannte Neuropil – das Netzwerk neuronaler und glialer Fortsätze – ungefähr aus:

• Unmyelinisierten Axonen: ~40 %
• Dendriten: ~26 %
• Glialen Fortsätzen: ~15 %
• Zellkörpern: ~9 %
• Myelinisierten Axonen: ~7 %

Darüber hinaus stellten die Forschenden fest, dass Gliazellen zahlenmäßig im Verhältnis von etwa 2:1 gegenüber Neuronen überwiegen. Dies bestätigt die grundlegende Rolle dieser Zellen für die Gehirnfunktion.

Die Studie ermöglichte außerdem die Identifizierung der sechs Schichten der Großhirnrinde, die jeweils spezifische zelluläre Merkmale aufweisen.

Wie sind die Verbindungen zwischen den Neuronen organisiert?

Einer der interessantesten Aspekte der Arbeit ist die Analyse der synaptischen Verbindungen.

Die Forschenden identifizierten etwa 150 Millionen Synapsen, die eingeteilt wurden in:

• Exzitatorische Synapsen: ~67 %
• Inhibitorische Synapsen: ~33 %

Außerdem beobachteten sie ein charakteristisches Organisationsmuster:

• Inhibitorische Synapsen konzentrieren sich häufiger in der Nähe des Zellkörpers.
• Exzitatorische Synapsen befinden sich überwiegend an den dendritischen Dornen.

Diese Verteilung spiegelt das Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung wider, das eine stabile Funktion neuronaler Schaltkreise ermöglicht.

Neue Formen der neuronalen Organisation

Die Studie ermöglichte außerdem die Identifizierung bislang wenig beschriebener struktureller Merkmale.

So untersuchten die Forschenden einen bestimmten Neuronentyp aus den tiefen Schichten der Großhirnrinde, die sogenannten „Dreiecksneuronen“. Diese Zellen besitzen einen großen basalen Dendriten, der in bestimmte Richtungen ausgerichtet ist.

Überraschenderweise gruppieren sich die Neuronen in zwei entgegengesetzten und symmetrischen Ausrichtungen. Dies deutet auf eine bislang unbekannte strukturelle Organisation in diesen kortikalen Schichten hin.

Diese Entdeckung könnte dazu beitragen, besser zu verstehen, wie Schaltkreise in tiefen Hirnregionen organisiert sind.

Überraschend starke synaptische Verbindungen

Eine weitere interessante Entdeckung betrifft die Stärke der neuronalen Verbindungen.

In den meisten Fällen bildet ein Axon eine einzige Synapse mit einem Zielneuron. Dies entspricht ungefähr 96 % der Verbindungen.

Die Forschenden fanden jedoch seltene Fälle, in denen dasselbe Axon zahlreiche Synapsen mit demselben Neuron bildete – zwischen demselben Neuronenpaar waren sogar mehr als 50 Verbindungen möglich.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass kortikale Schaltkreise Folgendes kombinieren:

• zahlreiche schwache Verbindungen
• eine geringe Zahl sehr starker Verbindungen

Dieses Muster könnte für die effiziente Informationsübertragung im Gehirn von grundlegender Bedeutung sein.

Welche Bedeutung hat diese Gehirnkarte für die Neurowissenschaften?

Diese Studie zeigt, dass es möglich ist, menschliche neuronale Schaltkreise mit synaptischer Auflösung zu rekonstruieren – etwas, das bis vor wenigen Jahren technisch unerreichbar schien.

Darüber hinaus haben die Forschenden den vollständigen Datensatz und die Analysewerkzeuge öffentlich zugänglich gemacht. Dadurch können andere Wissenschaftler das Gehirngewebe mit einer beispiellosen Detailgenauigkeit untersuchen.

Je mehr Karten dieser Art erstellt werden, wird es möglich sein:

• die Organisation menschlicher Hirnschaltkreise besser zu verstehen;
• zu untersuchen, wie sich diese Verbindungen bei neurologischen Erkrankungen verändern;
• und zu analysieren, wie Erfahrung und Lernen neuronale Netzwerke verändern.

Insgesamt stellt diese Arbeit einen wichtigen Schritt zu einem tieferen Verständnis der mikroskopischen Architektur des menschlichen Gehirns dar.

Wie steht dieser Fortschritt mit NeuronUP in Verbindung?

Bei NeuronUP werden digitale Werkzeuge für die kognitive Rehabilitation und Stimulation auf der Grundlage wissenschaftlicher Erkenntnisse entwickelt.

Die Forschung zur Konnektomik liefert eine wichtige Grundlage für das Verständnis der Organisation neuronaler Schaltkreise, die kognitive Funktionen wie Gedächtnis, Aufmerksamkeit oder exekutive Funktionen tragen.

Je besser wir diese Schaltkreise verstehen, wird es möglich sein:

• präzisere kognitive Interventionen zu entwickeln;
• Muster neuronaler Beeinträchtigung bei neurodegenerativen Erkrankungen zu erkennen;
• und individuellere Rehabilitationsstrategien zu entwickeln.

Auf diese Weise ergänzen Fortschritte beim Verständnis der Gehirnarchitektur die digitalen Werkzeuge der kognitiven Rehabilitation und tragen dazu bei, die Lebensqualität von Menschen mit kognitiven Beeinträchtigungen zu verbessern.

Fazit

Die Rekonstruktion eines Kubikmillimeters menschlicher Großhirnrinde mit nanometergenaue Auflösung stellt eine der detailliertesten jemals erstellten Karten des Gehirns dar.

Obwohl das untersuchte Volumen klein ist, enthält es eine enorme strukturelle Komplexität: Zehntausende Zellen und Hunderte Millionen Verbindungen bilden hochgradig organisierte Schaltkreise.

Diese Arbeit markiert einen Meilenstein in der Erforschung der Gehirnkonnektivität und eröffnet neue Möglichkeiten, zu verstehen, wie die mikroskopische Struktur des Gehirns unsere kognitiven Fähigkeiten trägt.

Literaturverzeichnis

• Shapson-Coe A, Januszewski M, Berger DR, et al. A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution. Science. 2024; doi:10.1126/science.adk4858.