Eine Nervenzelle mit ihren verästelten Fortsätzen. Die gelben Kugeln sind die Synapsen, die Verbindungsstellen.

 

© Heiko Wissler, Benedikt Staffler, Max-Planck Institut für Hirnforschung

Gesund
05/23/2019

Die Sprache des Gehirns: Wie Forscher sie entschlüsseln wollen

Forscher wollen die Kommunikation der Nervenzellen in ihren Netzwerken dokumentieren. Das könnte Grundlage für neue Therapien werden.

Es ist ein Projekt von ähnlicher Bedeutung wie die Entschlüsselung des Genoms: Die „Vermessung“ des Gehirns: Der Mediziner, Physiker und Neurowissenschafter Moritz Helmstaedter, 41, ist Direktor am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main in Deutschland. Am Donnerstag erklärt er an der MedUni Wien auf einer großen Konferenz („Darwin’s Circle Health“), wie er die Kommunikation der Nervenzellen erforschen will.

KURIER: Was kann man sich unter der „Vermessung des Gehirns“ genau vorstellen?

Moritz Helmstaedter: Unser Gehirn ist in erster Linie ein wahnsinnig kompliziertes und komplexes Netzwerk, das wir erst langsam beginnen zu verstehen. Und es gibt seit Langem die Vermutung, dass manche Erkrankungen, insbesondere psychiatrische, im Kern Netzwerkkrankheiten sind: Dass es in diesem Netzwerk also Veränderungen oder Störungen gibt. Und diese Veränderungen können wir jetzt erstmals erforschen.

Wie kann man sich dieses Netzwerk vorstellen?

Im Gehirn befinden sich 86 Milliarden Nervenzellen und jede kommuniziert direkt jeweils mit 1000 anderen, kann aber insgesamt mit bis zu 10.000 in Verbindung stehen. Das ist ein wahnsinniger Kommunikationswirrwarr. Solche komplexen Kommunikationsnetzwerke kennen wir sonst nicht . Deshalb betreten wir mit unserer Forschung Neuland: Um zu verstehen, in welchen Netzwerken die Nervenzellen sich untereinander austauschen. Hier sind wir am Anfang des Verständnisses, etwa beim Thema Schmerz: Wie arbeitet das Gehirn mit, um ein Symptom wie den Schmerz zu schaffen?

Wie wollen Sie die Kommunikation der Nervenzellen entschlüsseln?

Wir zerlegen Gewebe der Großhirnrinde in sandkorngroße Blöcke von einem halben Quadratmillimeter. Dabei arbeiten wir mehrheitlich mit Mausgehirnen, aber wir sind auch schon dabei, uns humanes Gewebe anzuschauen. Unter dem Elektronenmikroskop wird das Gehirngewebe mit einem Edelsteinmesser in praktisch nur noch zweidimensionale Scheibchen zerlegt. Von diesen machen wir Aufnahmen mit dem Elektronenmikroskop. In so einem Gewebeblock gibt es mehrere hunderttausend Nervenzellen und deren Vernetzungen untereinander können wir abbilden. Dafür benötigen wir Großrechner und künstliche Intelligenz, aber auch hunderte Studenten.

Wozu?

Die Verbindungen zwischen den Nervenzellen sind wie ein irres Kabelgeflecht – diese Kabel sind tausendmal dünner als ein menschliches Haar. Dieses Labyrinth des Gehirns wollen wir entwirren und den Verlauf der Nervenbahnen richtig nachverfolgen. Bei der Analyse der elektronenmikroskopischen Aufnahmen die richtigen Abzweigungen in den Verästelungen der Nervenzellen zu finden und nicht zu verpassen, das können Menschen besser als künstliche Intelligenz. Wir haben bereits Blöcke von einigen Hundert Mikrometern (tausendstel Millimetern, Anm.) Kantenlänge kartiert. Das ist schon etwas, aber trotzdem erst der Anfang des Weges.

Was kann das für die Diagnose und die Therapie von Krankheiten bringen?

Da nenne ich das Beispiel der Schizophrenie oder auch von autistischen Krankheitsbildern: Hier vermutet man seit Langem, dass es Netzwerkdefizite geben muss – ganz grob hat man die Vermutung, dass es sich um ein Ungleichgewicht zwischen hemmenden und erregenden Nervenzellen handeln könnte. Aber wie das genau abläuft, ist noch unklar. Da könnte man in Zukunft viel genauere Aufschlüsse bekommen.

Kann man das Projekt der Entschlüsselung der Nervenzell-Netzwerke von der Größe mit der Entschlüsselung des menschlichen Genoms vergleichen?

Ja, und es ist eine ähnliche Herausforderung. Mit den heutigen Möglichkeiten ist es wahrscheinlich noch eine Aufgabe von Jahrzehnten, die gesamten Gehirnnetzwerke aufzuzeichnen. Das wird dann eine gewaltige Leistung für sich sein – so wie es das beim Humangenom war. Aber bei diesem hat es nach der Entschlüsselung noch zirka 20 Jahre gedauert, bis jeder Mensch um nur rund 1000 US-Dollar innerhalb einer Woche sein eigenes Genom analysieren lassen kann und Forschungsdurchbrüche möglich wurden. Deshalb werden wir ein Durchhaltevermögen benötigen. Prognosen sind schwierig – aber ich bin überzeugt, dass es eine realistische Perspektive gibt, dieses große Ziel, das Labyrinth im Gehirn zu entwirren, auch tatsächlich zu erreichen.

Junges Fachgebiet

Connectomics Das englische Kunstwort ist der Fachbegriff für die junge Forschungsrichtung, die komplexen Netzwerke der Nervenzellen im Gehirn zu dokumentieren.  Moritz Helmstaedter ist einer der Pioniere auf diesem Gebiet.

Präzisionsmedizin Die Konferenz „Darwin’s Circle Health“ an der MedUni Wien soll einen Impuls für ein  „Zentrum für Präzisionsmedizin“ liefern. Dieses will die MedUni Wien ab 2022 auf dem AKH-Areal errichten. Die Kosten von 60 Millionen Euro sollen durch Klein- und Großspender aufgebracht werden.