In einem Online-Spiel kann jedermann Wissenschaftler dabei unterstützen, das dichte Nervengeflecht im Gehirn zu entwirren.
Der rasante Flug geht durch eine Art Tunnel. Immer wieder muss ich mein Raumschiff um Hindernisse herum steuern und goldene Gegenstände einsammeln, um meine Energiereserven aufzufüllen. Plötzlich tauchen Umrisse vor mir auf. Das müssen verschiedene Nervengewebe sein. Die Nervenfaser, die ich an der nächsten Abzweigung weiter verfolgen muss, ist gelb. Ich behalte sie genau im Blick.
Am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in München fliege ich durch ein Mäusegehirn – natürlich nur virtuell. An den Wänden hängen Bilder mit den Schaltkreisen des Gehirns. Denn um die dreht es sich in dem Computerspiel, das nicht nur Spaß macht. Es soll auch die Wissenschaft voranbringen. Letztlich geht es darum, von einem Gewebeabschnitt zum nächsten zu gelangen, indem man die richtigen Fortsetzungen von Nervenfasern findet.
Entwickelt hat das Spiel der Neurobiologe Moritz Helmstaedter gemeinsam mit Kollegen und Spieldesignern. „Brain-flight” soll im Frühjahr online gehen und viele Internet-Nutzer zum Daddeln animieren. Ihre Hilfe können die Forscher gut gebrauchen. Denn sie haben sich viel vorgenommen: „Wir wollen einen Teil der Großhirnrinde der Maus kartieren”, sagt Helmstaedter. Die Entscheidungen der Spieler helfen, den Verlauf der Nervenfasern korrekt nachzuzeichnen.
80 Milliarden Nervenzellen
Wissenschaftler aus der ganzen Welt arbeiten derzeit an einer Karte des menschlichen Gehirns. In Anlehnung an das bereits entschlüsselte Genom nennt man diesen Schaltplan Konnektom. Unser Gehirn verfügt über rund 80 Milliarden Nervenzellen mit jeweils etwa 1000 Verbindungen zu anderen Neuronen. Aneinandergereiht sind diese Bahnen mehrere Millionen Kilometer lang.
Grobe Karten des Gehirns vom Menschen haben Wissenschaftler schon angefertigt. Sie zeigen die längeren Fasern, die verschiedene Hirnregionen miteinander verbinden. Überraschende Einblicke lieferte der Neurowissenschaftler Van Wedeen vom Massachusetts General Hospital: Auf seinen Hirnaufnahmen verliefen Nervenbahnen im menschlichen Vorderhirn entlang paralleler Linien, die sich in nahezu rechten Winkeln kreuzten, ähnlich einem gewebtem Stück Stoff. Doch manche Details bereiten noch Probleme. Um die vielen Fortsätze und Synapsen der Neurone abzubilden, müssen Modellorganismen wie die Maus herhalten.
„Die gesamte Großhirnrinde einer Maus können wir noch nicht darstellen, geschweige denn ihr ganzes Gehirn”, sagt Helmstaedter. „Aber wir sind in der Lage, einen kleinen Bereich des somatosensorischen Kortex nachzubilden.” Für die Maus ist das ein wichtiger Teil der Großhirnrinde: In ihm werden Informationen aus den Schnurrhaaren verarbeitet. So kann sie sich auch bei Dunkelheit ein Bild von ihrer Umgebung machen.
Filigranarbeit gefragt
Die Kartierung der Verschaltungen im Mausgehirn ist für die Forscher der erste Schritt hin zu höher entwickelten Säugetieren. Eines Tages, so die Hoffnung, könnten ihre Analysewerkzeuge auch bei der menschlichen Großhirnrinde zum Einsatz kommen.
Wie klein das besagte Stückchen Nervengewebe tatsächlich ist, wird mir bewusst, als ich mit Moritz Helmstaedter in den Keller des Instituts hinabsteige. Ich muss zweimal hinschauen, um es überhaupt zu erkennen: Mit einer Kantenlänge von einem halben Millimeter ist das Gewebestück etwa so klein wie ein Sandkorn. Kaum zu glauben, dass es mehrere Tausend Nervenzellen mit rund 20 Millionen Verknüpfungen enthält!
Um dem „Sandkorn” Details zu entlocken, bedarf es echter Filigranarbeit. Die Forscher greifen hier auf ein spezielles Elektronenmikroskop zurück, das sich im Keller des Instituts befindet. Das Mikroskop macht eine Aufnahme des Gewebeblocks. Anschließend kommt ein sogenanntes Ultramikrotom zum Einsatz, das sich in einer Vakuumkammer des Mikroskops befindet. Dieses Schneidegerät säbelt mittels eines Diamantmessers hauchdünne Stücke vom Gewebeblock ab. Mit nur 25 Nanometer Dicke ist ein einzelnes Scheibchen weniger als ein Hundertstel so dick wie ein menschliches Haar.
So wird der Gewebeblock nach und nach zerlegt. Wie mühsam eine solche Kartierung ist, weiß Helmstaedter aus eigener Erfahrung. Gemeinsam mit Winfried Denk, dem Direktor des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie, hat er ein winziges Stückchen der Netzhaut einer Maus rekonstruiert. „Wir haben über acht Wochen lang durchgehend Daten mit dem Elektronenmikroskop gesammelt”, berichtet Helmstaedter. Während der Aufnahmen hatten er und sein Team immer wieder mit Problemen zu kämpfen, beispielsweise mit einem Stromausfall: Ein Bauarbeiter hatte versehentlich ein Kabel gekappt und damit die Kartierung vorübergehend zum Stillstand gebracht.
Am Ende hatten die Wissenschaftler einen riesigen Datensatz vor sich, ungefähr ein Viertel Terabyte groß. „Er bestand zunächst nur aus grauen zweidimensionalen Bildern”, so der Neurobiologe. „Die Bilder haben wir dann in einen dreidimensionalen Datensatz zusammengefügt und mit einer Art Google Maps für Elektronenmikroskopie visualisiert.”
Eine weit größere Herausforderung stellte die Rekonstruktion dar. „Wir mussten schließlich der Verästelung jeder einzelnen Zelle folgen.” Bei rund 1000 Nervenzellen mit mehreren Hunderttausend Synapsen war das keine Kleinigkeit. In der Netzhaut sind die Neurone extrem dicht gepackt, und die dünnsten Nervenfortsätze sind weniger als 50 Nanometer dick. Sie erstrecken sich oft über große Distanzen. Nicht einfach, sich in diesem Gewirr zurecht zu finden!
Wie ein Spaghetti-Berg
„Das Ganze erinnert ein bisschen an einen Berg von Spaghetti, die man in Scheiben geschnitten hat”, sagt Moritz Helmstaedter. Jedes Nervenkabel folgt seinem eigenen Weg. Und wenn sich die Kabel direkt nebeneinander befinden, ist es schwierig zu entscheiden, welche Faser zu welcher Zelle gehört.
Computeralgorithmen stoßen hier an ihre Grenzen. Menschen hingegen sind sehr gut darin zu erkennen, welche Fortsetzung wahrscheinlich ist, ob beispielsweise der Weg des Nervenkabels nach links oder nach rechts führt. Die Forscher ließen sich daher von rund 300 Studenten helfen. „Das war keine leichte Entscheidung. Wir waren damals die Einzigen, die diesen Weg gegangen sind”, meint Moritz Helmstaedter.
Vier Jahre nahm die Rekonstruktion insgesamt in Anspruch. „Es war ein großartiges Gefühl, als Lohn der ganzen Mühen am Ende eine vollständige Karte des Netzhautstückchens in den Händen zu halten”, sagt der Neurobiologe strahlend. Gelohnt hat sich die Fleißarbeit schon deshalb, weil die Wissenschaftler einen neuen Typ Nervenzelle in der Netzhaut der Maus ausmachen konnten. „Wir haben sogar den Schaltkreis gefunden, in den dieser Nervenzellentyp integriert ist.”
Die Wissenschaftler vermuten, dass es sich um einen Helligkeitssensor handelt. Seine Funktion ist es möglicherweise, unterschiedliche Lichtverhältnisse in der Außenwelt zu ignorieren und abzugleichen. Das könnte der Maus dabei helfen, wichtige Details in der Umgebung auszumachen, egal, ob sie im grellen Sonnenlicht oder in dämmrigen Schlupflöchern unterwegs ist.
„Die Ergebnisse zeigen uns, dass wir auf dem richtigen Weg sind, obwohl wir gerade einmal 0,1 Prozent der Netzhaut einer Maus analysiert haben”, sagt Helmstaedter. Sein neues Projekt ist hundert Mal so aufwendig: Statt 300 Studenten müssten sich rund 30 000 daran machen, das Nervengewebe eines kleinen Stückchens Hirnrinde der Maus zu entwirren. „Daher sind wir auf die Hilfe der Öffentlichkeit angewiesen. Wir können aber keine Freiwilligen bitten, unentgeltlich Nervenkabel über Tausende von Querschnitten zu verfolgen. Also haben wir kleine verdauliche Häppchen gebastelt und in ein spannendes Flugsimulatorspiel eingebaut.”
Die Hoffnungen, die auf die Kartierung des Gehirns gesetzt werden, sind groß: Der Schaltplan soll Aufschluss über die Aufgaben von Nervenzellen geben. „Die Funktion eines Neurons wird hauptsächlich durch seine Verbindungen mit anderen Neuronen definiert”, sagt Sebastian Seung. In seinem Buch „Das Konnektom” geht der Neurowissenschaftler vom Massachusetts Institute of Technology noch weiter: Wenn wir verstehen, wie das gesunde Gehirn vernetzt ist, können wir möglicherweise auch psychische Krankheiten wie Schizophrenie oder Autismus aufklären, meint er. Seung vermutet, dass solche Erkrankungen beim Menschen vor allem auf Störun- gen in den Nervenverbindungen beruhen. Kritiker stellen allerdings infrage, ob sich der Aufwand lohnt. „Ich bezweifle, dass das Konnektom uns wirklich etwas über die neuronalen Berechnungen des Gehirns sagen wird”, sagt Anthony Movshon.
Der Neurowissenschaftler von der New York University denkt dabei an den Fadenwurm C. elegans. Dessen Nervensystem umfasst lediglich 302 Neurone und ist bisher das einzige, von dem ein vollständiges Konnektom existiert. „Unser Verständnis des Verhaltens von C. elegans hat sich dadurch nicht wesentlich vergrößert”, sagt Movshon.
Was verrät der Schaltplan überhaupt?
Er vergleicht neuronale Netzwerke mit Computern. „Ich kann die Architektur eines Computers bis in seine feinsten Details untersuchen. Das sagt mir, welche Arten von Berechnungen er prinzipiell durchführen kann, aber nicht, welche er tatsächlich durchführt.” Auch das Konnektom verrate lediglich, was in einer Nervenzelle grundsätzlich ablaufen kann. „Doch um die Funktion wirklich zu verstehen, muss man Aktivitäten messen.”
In eine ähnliche Richtung gehen die Bedenken des Neuroinformatikers Kevan Martin von der ETH und Universität Zürich. Um ein Radio und dessen Schaltkreis zu begreifen, reiche es nicht aus, den Schaltplan zu kennen, betont er. „Um zu verstehen, warum der Schaltkreis des Radios ist wie er ist, müssen wir sehr viel mehr Theorie kennen, beispielsweise etwas über elektromagnetische Strahlung wissen.”
Moritz Helmstaedter hält dagegen: Die Kartierung der Netzhaut der Maus habe gezeigt, wie viel man über die Funktion von Nervenzellen lernen kann, wenn man ihre Verknüpfungen kennt. „Die Nervenzellen für sich betrachtet verfügen zwar auch über komplexe Eigenschaften”, sagt der Neurobiologe. „Aber erst die Verschaltungsstruktur zwischen den Nervenzellen ermöglicht dem Gehirn, seine vielfältigen Funktionen zu erfüllen. Bei der menschlichen Großhirnrinde spiegele vermutlich die Verschaltungsstruktur der Nerven das „Computerprogramm” wider, das auf dem Gehirn läuft. „Es ist so, als könnten wir Hard- und Software gleichzeitig vermessen.”
Sobald „Brainflight” online geht, kann die Internetgemeinde zu einem Rundflug im Dienste der Wissenschaft starten und bei der Vermessung des Gehirns helfen. Ich hoffe, dass auch mein Computerausflug ins Gehirn dazu einen kleinen Beitrag geleistet hat – zumindest habe ich mich redlich bemüht, die richtigen Fortsetzungen der Nervenfaser zu finden. •
CHRISTIAN WOLF entdeckte seine Leidenschaft für die Hirnforschung bei seiner Promotion über Wahrnehmung. Hirnforschung bei seiner Promotion über Wahrnehmung.
von Christian Wolf
