Revolutionäre Technologie ermöglicht schnellere und präzisere Kartierung des menschlichen Gehirns

Verborgen unter der Oberfläche befinden sich bis zu 100 Milliarden Neuronen und 100 Billionen Synapsen – die Verbindungen zwischen Neuronen, die Netzwerke bilden – dicht gepackt in einem weichen dreipfündigen Organ, das unsere Gedanken, Gefühle, Bewegungen, Erinnerungen und unser Selbstgefühl kontrolliert. In den letzten zwei Jahrzehnten haben Wissenschaftler die internen neuronalen Verbindungen und Funktionsweisen des Gehirns sorgfältig analysiert, indem sie es in hauchdünne Scheiben geschnitten haben. Daraus haben sie mehrere Karten der zellulären Bevölkerung, Architektur, Verbindungen und Genexpression des Gehirns erstellt. Ähnlich wie bei der Kartierung einer neuen Welt wurden diese Atlanten zu einer Art Google Maps für das Gehirn zusammengefasst. Diese Atlanten ermöglichen es uns, die Hirnfunktion zu entschlüsseln, indem sie genetische Expression mit Zellfunktionen, Netzwerkverbindungen und Verhalten verknüpfen – zumindest bei Nagetieren und anderen Tieren.

Die Kartierung des Gehirns ist unglaublich schwierig und zeitaufwändig. Ein kleines Stück eines Mäusehirns dauert Jahre, um es mit Einzelzellauflösung zu verarbeiten, zu scannen und in 3D-Computermodelle umzuwandeln. Jede Panne während des Prozesses ruiniert das Produkt. Die Kartierung des menschlichen Gehirns, das viel größer ist, ist noch schwieriger.

In diesem Monat hat ein Team vom MIT eine „ganzheitliche“ Hirnkartierungsplattform entwickelt, die die Anatomie großer Scheiben des menschlichen Gehirns mit beispielloser Auflösung und Geschwindigkeit erfasst hat. Sie verwendeten die Plattform, um ein Alzheimer-Gehirn abzubilden, nachdem sie Hirngewebe mit einem Hydrogel physisch erweitert hatten. Das automatisierte System schnitt Scheiben vom Gewebe ab, machte Bilder davon und fügte die Bilder automatisch zusammen. Es entdeckte zahlreiche zelluläre Veränderungen und Probleme mit neuronalen Verbindungen einschließlich Entzündungen.

Verglichen mit früheren Hirnkartierungsprojekten hat die neue Plattform verschiedene Ebenen der physischen Struktur des Gehirns – von Synapsen über lokale neuronale Schaltkreise bis hin zu gehirnweiten Verbindungen in Scheiben menschlichen Hirngewebes – in nur wenigen Tagen kartiert.

„Wir haben eine ganzheitliche Bildgebung von menschlichem Hirngewebe auf verschiedenen Auflösungsebenen durchgeführt – von einzelnen Synapsen bis hin zu ganzen Hirnhemisphären – und diese Daten verfügbar gemacht“, sagte Studienautor Kwanghun Chung in einer Pressemitteilung.

Um es klar zu sagen: Die Technologie wurde bisher nur an Scheiben menschlichen Hirngewebes verwendet und hat noch nicht das gesamte neuronale Netzwerk des gesamten Gehirns kartiert. Aber „diese Technologie-Pipeline ermöglicht es uns wirklich, das menschliche Gehirn auf mehreren Ebenen zu analysieren. Potenziell kann diese Pipeline für die vollständige Kartierung menschlicher Gehirne verwendet werden“, sagte Chung.