Kartierung des Gehirns: das Human Brain Project

Krankheiten besser verstehen, diagnostizieren und therapieren

Drei Hauptziele verfolgt das Human Brain Project. Erstens: Das komplette menschliche Gehirn innerhalb der nächsten zehn Jahre detailgetreu von der Genetik über die molekulare Ebene bis hin zur Interaktion ganzer Zellverbände auf einem Supercomputer der Zukunft simulieren. Das zweite Ziel: Neue Technologien entwickeln und Computer bauen – und sich dabei vom Gehirn inspirieren lassen. Keine Maschine ist bislang so effektiv und benötigt so wenig Speicherplatz wie der „Supercomputer“ in unserem Kopf. Drittens: Wissen über das Gehirn verfügbar machen. Jedes Jahr erscheinen rund 60.000 wissenschaftliche Arbeiten über das Gehirn. In großen Datenbanken soll dieses Wissen gebündelt und verfügbar gemacht werden.
„Das HBP fördert jedoch nicht nur die neurowissenschaftlichen Grundlagenwissenschaften und die technologische Entwicklung“, erläutert Prof. Amunts, die am Forschungszentrum Jülich seit Beginn des HBP auch das Teilprojekt 2 „Human Brain Organisation“ leitet. „Es soll auch zu einem besseren Verständnis von Erkrankungen, zur Entwicklung neuer Diagnoseverfahren und neuer Therapien beitragen.“ Ein Atlas des menschlichen Gehirns, der Hirnorganisation auf ganz verschiedenen Skalen integriert (z.B. zelluläre Verteilungen, Konnektivität, molekulare Organisation, Genexpression), kann laut Prof. Amunts zu einem wichtigen Werkzeug bei dem Vorhaben werden, bildgebende Daten von Patienten zu analysieren, präoperative Diagnostik zu verbessern oder postoperativ Veränderungen genau zu lokalisieren: „Dieser Atlas wird auch anatomische mit elektrophysiologischen Daten (z.B. intrakranielles EEG) von Patienten mit Epilepsie verknüpfen und zur Verfügung stellen.“

Jülicher Gehirn-Atlas „JuBrain“ erfasst bereits 200 Hirnareale

Prof. Amunts’ Ziel ist es, eine detaillierte und exakte Karte des Gehirns bis auf die Ebene einzelner Zellen zu erstellen. Ein erstes Modell des Gehirns existiert bereits. Schon 2013 hat die Direktorin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin am Forschungszentrum Jülich und Professorin für Hirnforschung an der Universität Düsseldorf mit ihrem Team ein extrem hoch aufgelöstes dreidimensionales Modell eines menschlichen Gehirns namens Big Brain erstellt. Dazu haben die Forscher über fünf Jahre hinweg das Gehirn eines Körperspenders in mehr als 7400 Scheiben geschnitten, jede 20 Mikrometer dick – in etwa der Durchmesser eines menschlichen Haares. Die gefärbten Schnitte wurden eingescannt und am Rechner rekonstruiert. Der Datensatz dieses einen Gehirns hat die Größe von insgesamt einem Terabyte.
In einem weiteren Projekt analysieren und kartieren die Forscher die Hirnareale von zehn verschiedenen Gehirnen. Es sind mehrere Hirne, um die interindividuellen Unterschiede zu adressieren. Bislang konnten so etwa 200 Areale identifiziert werden. Zusammen bilden sie den Jülicher Gehirn-Atlas „JuBrain“, in dem jeder Bereich in Form von Wahrscheinlichkeitskarten dreidimensional dargestellt wird. Dieser Atlas wird von Wissenschaftlern weltweit genutzt und ist zum Beispiel über die Anatomy Toolbox zur Interpretation von bildgebenden Befunden zugänglich.

HBP Gehirnscan 800Der Schritt vom echten zum virtuellen Gewebe: Hauchdünne Gehirnschnitte werden einzeln gescannt und dann am Rechner weiterbearbeitet. (c) FZ Jülich

Das Human Brain Project eröffnet Forschern und Klinikern neue Analysewege

In ihrem Vortrag auf der Eröffnungsveranstaltung des DGN-Kongresses wird Prof. Amunts zeigen, wie das HBP eine europäische Plattform für Neurowissenschaftler und Kliniker aufbaut: „Viele wissenschaftliche Fragestellungen lassen sich nicht mehr alleine von einem Labor, Institut oder einer Klinik lösen. Die großen Informations- und Datenmengen (Big Data), die zum Beispiel im Bereich der Bildgebung bei den großen krankheitsspezifischen Kohorten und Stichproben entstehen, erfordern neue Analyseverfahren wie Deep Learning, aber auch besonders schnelle und leistungsstarke Computer.“
Ein wichtiger Bestandteil dieser Plattform sind laut Katrin Amunts die Atlanten. Es gibt einen Atlas für das Mausgehirn, der beispielsweise für Studien mit transgenen Tiermodellen genutzt werden kann. Der Atlas für das menschliche Gehirn wird ganz verschiedene Informationen zusammenführen: zum Beispiel die molekulare Organisation einer Hirnregion, ihre Beteiligung an einer bestimmten kognitiven Aufgabe, die zelluläre Architektur oder die Konnektivität, die Prof. Amunts auf dem DGN-Kongress veranschaulichen wird.
Über das HBP werden neue Analysewege zugänglich gemacht, Wissenschaftler und Ärzte können die dort entwickelten Verfahren für ihre eigenen Untersuchungen nutzen. Der vor einem Jahr online gestellte Werkzeugkasten „Human Brain Collaboratory“ wird dabei mehr und mehr helfen. In den nächsten Monaten sollen Forscher im „Collaboratory“ gezielt Kollegen für eine Zusammenarbeit finden, Datenbanken durchstöbern, Modelle verwenden und teilweise sogar auf die Rechenkraft von Supercomputern zugreifen können, erläutert Katrin Amunts: „Die HBP-Plattform soll helfen, Daten und Wissen auszutauschen, zusammenzuarbeiten, dabei die neuesten Technologien zu nutzen, und selber dazu beitragen, neue Methoden und Verfahren zu entwickeln.“

Monika Holthoff-Stenger

Veranstaltungsort

CCL – Congress Center Leipzig
Messe-Allee 1
04356 Leipzig
www.ccl-leipzig.de