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Imaging Brain Circuits to Decode Brain Computations: Multimodal Multiscale Imaging of Cortical Microcircuits to Model Predictive Coding in Human Vision

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Ein neuer Atlas des Gehirns zeigt dessen Verbindungen in noch nie dagewesenem Detail

Durch die Verbindung von Ultrahochfeld-MRT und angepasster Lichtblattmikroskopie konnte ein umfassendes, hochauflösendes Bild der 3D-Struktur des Gehirns erstellt werden.

Gesundheit

Das menschliche Gehirn enthält schätzungsweise 86 Milliarden Neuronen und eine ebenso große Anzahl von Stützzellen, die in komplexen Netzwerken und Schaltkreisen angeordnet sind, deren Architektur noch weitgehend unbekannt ist. Das EU-finanzierte Projekt MULTICONNECT will durch den Einsatz bahnbrechender bildgebender Verfahren Aufschluss über die Struktur des Gehirns geben. In der Vergangenheit bestand die gängigste Methode zur Untersuchung der Anatomie des menschlichen Gehirns darin, dünne Schnitte von etwa 100 Mikrometern Dicke zu schneiden und diese unter dem Mikroskop zu untersuchen. Dabei werden jedoch die 3D-Strukturen des Organs zerstört und damit unkenntlich gemacht. „Die Hirnrinde etwa muss man über ein ausreichend großes Betrachtungsfeld untersuchen, um einen Überblick über die komplizierte 3D-Struktur zu erhalten“, erklärt Projektkoordinator Alard Roebroeck. „Wir wollen das Gehirn auf eine mehrskalige und multimodale Weise betrachten, um eine in Zentimetern messbare Perspektive, aber gleichzeitig eine Auflösung einzelner Zellen zu haben.“

Hohe Leistung

Um dies zu erreichen, entnahmen Roebroeck und sein Team von der Fachabteilung für Mehrskalige Bildgebung der Gehirnvernetzung am Fachbereich für kognitive Neurowissenschaften an der Universität Maastricht große Stücke neuronalen Gewebes von Leichen, darunter auch ganze Gehirne, und bildeten diese mit einem MRT-Scanner mit ultrahoher Feldstärke ab. „Die MRT-Scanner in Krankenhäusern arbeiten in der Regel mit 1,5-3 Tesla und haben eine isotrope Auflösung von etwa 1 mm“, sagt Roebroeck. „Wir haben bis zu 9,4 Tesla verwendet, wobei wir speziell angefertigte Hochfrequenzspulen und längere Bildgebungszeiten verwendet haben, um das gesamte Gehirn bei 100 Mikrometern und darunter abzubilden.“ Diese Daten wurden dann mit Bildern verknüpft, die mit Lichtscheibenmikroskopie aufgenommen wurden. Diese Technik beleuchtet die Proben mit einem flachen Laserlichtblatt und ermöglicht es, das Innere des Gewebes in dünnen optischen Schnitten abzubilden, ohne dessen 3D-Struktur zu beschädigen, und das bei sehr hoher Abbildungsgeschwindigkeit. Um die 3D-Strukturen bestmöglich zu erhalten, verwendete Roebroeck große Schnitte von bis zu 5 mm dickem Hirngewebe und machte sie zunächst transparent, indem er unerwünschtes Material wie etwa Lipide entfernte. Um so große Proben – mit einer Größe von 8 cm im Quadrat und mehr – bearbeiten zu können, musste ein spezielles Lichtblattmikroskop entworfen und gebaut werden. Roebroeck und sein Team konnten dabei feine Details, wie die einzelnen Schichten, Spalten und Zellen der nur 4 mm dicken Kortikalisplatte, sichtbar machen. „Wir sind die Ersten, die das mit einer Auflösung von 75 Mikrometern im gesamten Gehirn abgebildet haben“, fügt er hinzu.

Verarbeitung der Daten

Das Projekt generierte riesige Datenmengen, wobei die Daten für eine einzige Probe bis zu 10 Terabyte an Informationen enthielten. „Mit den Fortschritten in der Bildgebung gehen immer auch Herausforderungen einher, man braucht neue Wege, um sich anzupassen und mit Daten umzugehen, die das Tausendfache dessen betragen, was man gewohnt ist“, merkt Roebroeck an. Die Arbeit wurde vom Europäischen Forschungsrat unterstützt. Die bildgebenden Verfahren haben bereits in anderen Bereichen Interesse geweckt, beispielsweise bei der Tumoranalyse in der Pathologie oder bei der Positionierung von Implantaten bei der Hirnstimulation. Der neue Atlas der Gehirnstruktur wird auch anderen Forschenden zur Verfügung gestellt. Eine zentrale Frage für Roebroeck ist, wie die Mikrostruktur des Gehirns die Art der Rechenoperationen bestimmt, die es auszuführen vermag. „Wir sind dabei, die Sichtweise auf das Rechnen im Gehirn zu verändern. Wir verstehen jetzt besser, welche Beschränkungen existieren und welche Arten von Schaltkreisen in diesen Zellen gebildet werden können“, sagt er.

Schlüsselbegriffe

MULTICONNECT, Gehirn, Struktur, MRI, Bildgebung, Tesla, Lichtblatt, Mikroskopie, Auflösung, Terabytes, Kortex, Kortikalblatt

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