Entschlüsselung der geheimnisvollen Tiefen des Gehirns
EU-finanzierte Forscher haben eine innovative neue Technologie entwickelt, die erstmals sowohl Verbindungen als auch Funktionen von Nervenzellen im Gehirn kartieren kann und Wissenschaftler somit der Entwicklung eines Computermodells des Gehirns einen Schritt näher bringt. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht, von einer Gruppe von Neurowissenschaftlern des University College London (UCL) durchgeführt und teilweise durch ein Stipendium des Europäischen Forschungsrats unter dem Siebten Rahmenprogramm (RP7) der EU finanziert. Das Gehirn verfügt über schätzungsweise 100 Milliarden Nervenzellen ("Neuronen"), die jeweils mit Tausenden anderer Nervenzellen verbunden sind - was zu insgesamt rund 150 Billionen von Verbindungen (oder "Synapsen") führt. Analog zur Genomik, die unsere Erbanlagen kartiert, wird diese neue Art der Forschung "Connectomics" genannt, da sie die Kartierung der Synapsen des Gehirns zum Ziel hat. Wenn die Wissenschaftler mehr über diese Verbindungen wissen, können sie feststellen, wie Informationen durch die Schaltkreise des Gehirns geleitet werden, und somit beginnen zu verstehen, wie unsere Wahrnehmungen, Eindrücke und Gedanken entstehen. Dieses Wissen könnte zu einem besseren Verständnis von Krankheiten wie Alzheimer, Schizophrenie und Schlaganfällen beitragen. "Wie finden wir heraus, wie die neuralen Schaltungen des Gehirns funktionieren?", fragt Dr. Tom Mrsic-Flogel, einer der Forscher am UCL. "Zuerst müssen wir die Funktion jedes einzelnen Neurons verstehen und ermitteln, mit welchen anderen Gehirnzellen es verbunden ist. Wenn wir einen Weg finden könnten, die Verbindungen zwischen den Nervenzellen bestimmter Funktionen zu kartieren, wären wir in der Lage, mit der Entwicklung eines Computermodells zu beginnen, um zu erklären, wie die komplexen Dynamiken neuraler Netzwerke Gedanken, Eindrücke und Bewegungen generieren." Das Team bediente sich einer Technik, die an Mäusen entwickelt wurde und ihnen ermöglicht, Informationen über die Funktionen von Neuronen mit Details über ihre synaptischen Verbindungen zu kombinieren. Mithilfe hochauflösender Bildgebung sahen sie in die Sehrinde des Mäusegehirns, die Tausende von Neuronen und Millionen unterschiedlicher Verbindungen enthält, und es gelang dem Team festzustellen, welche dieser Neuronen auf bestimmte Reize reagieren, zum Beispiel eine horizontale Kante. Dann untersuchten die Forscher eine weitere Neuronen-Untergruppe, um zu sehen, welche Neuronen auf dieselben Reize reagieren, und konnten so graphisch darstellen, ob diese Neuronen über Synapsen mit der ersten Neuronengruppe verbunden sind. Sie stellten fest, dass Neuronen, die sehr ähnlich auf dieselben visuellen Reize wie Kanten mit derselben Richtung (d.h. horizontale oder vertikale Kante) oder komplexere visuelle Reize wie Gesichter reagieren, tendenziell mehr miteinander verbunden sind als jene, die auf ganz andere Reize reagieren. Die Ergebnisse dieser Studie erhöhen demnach unser Wissen darüber, ob lokale Verbindungen zwischen Neuronen sporadisch, zufällig und unabhängig von ihrer Funktion auftauchen oder ob sich Neuronen nach der Reaktion auf bestimmte Reize mit anderen Neuronen verbinden. "Wir beginnen damit, die Komplexität des Gehirns zu enthüllen", so Dr. Mrsic-Flogel. "Sobald wir die Funktion und die Verbindungen der Nervenzellen in den unterschiedlichen Schichten des Gehirns verstanden haben, können wir mit der Entwicklung einer Computersimulation dieses bemerkenswerten Organs beginnen. Es wird jedoch noch Jahre gemeinsamer Bemühungen der Wissenschaftler und erhebliche Rechenleistung brauchen, bis dieses Vorhaben realisiert werden kann." Dank dieser Studie sind wir der komplexen inneren Funktionsweise des Gehirns einen guten Schritt näher gekommen und Neurowissenschaftler verfügen nun über die nötigen Grundlagen, um dieses geheimnisvollste aller menschlichen Organe weiter erforschen zu können. Ferner können dank dieser Erkenntnisse auch die funktionalen Schaltkreise in Regionen, die für Tastsinn, Hörsinn und Bewegung zuständig sind, enthüllt werden.Weitere Informationen unter: University College London: http://www.ucl.ac.uk/(öffnet in neuem Fenster)
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Vereinigtes Königreich