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„BigBrain“ zoomt bis zur Nervenzelle ins Gehirn

21.06.2013
Haarscharfe Aufnahmen der menschliche Schaltzentrale: „BigBrain“ ermöglicht Bilder mit einer bisher unerreichten Auflösung von 20 Mikrometern.

Das entspricht etwa der Größe einer Nervenzelle oder weniger als der Hälfte eines Haardurchmessers. Fünf Jahre hat JARA Seniorprofessor Univ.-Prof. Dr. med. Karl Zilles gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vom Forschungszentrum Jülich und aus Montreal (Kanada) an dem Modell gearbeitet. Die Erkenntnisse wurden heute in der renommierten Fachzeitschrift „Science“ vorgestellt.


Der Nutzer des BigBrain-Modells kann Schnittbilder selbst erzeugen und wegen der extrem hohen Auflösung von 1/20 000 mm des zugrunde liegenden Datensatzes detaillierte Untersuchungen zur Struktur des menschlichen Gehirns durchführen. Die 3D Darstellung von Zellen, Zellgruppen und Schichten der Hirnrinde eines realen und vollständigen Gehirns ist im BigBrain erstmals realisiert. Das Fadenkreuz in den Abbildung lokalisiert den sogenannten Hippocampus des Menschen, der für Lernen und Gedächtnis eine entscheidende Rolle spielt und unter anderem bei der Alzheimer'schen Erkrankung besonders betroffen ist.


Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Forschungszentrum Jülich

„Das virtuelle dreidimensionale Gehirn basiert auf Informationen aus über 7400 Gewebeschnitten mit einer Dicke von nur 20 Mikrometern, die aus einem menschlichen Gehirn gewonnen wurden“, berichtet Univ.-Prof. Dr. med. Karl Zilles, heute Senior-Professor in JARA-BRAIN, dem Hirnforschungsverbund zwischen der RWTH Aachen dem Forschungszentrum Jülich. Dazu wurde jeder einzelne Gewebeschnitt eingescannt und anschließend dreidimensional an Großrechnern rekonstruiert. Die Verarbeitung der hauchdünnen, fragilen Gewebeproben ist extrem schwierig und aufwändig.

„Beim Schneiden der hauchdünnen Schnitte können Schäden entstehen, die in den digitalisierten Scanner-Aufnahmen mit Hilfe moderner Bildverarbeitungstools repariert werden müssen“, erklärt der Neurowissenschaftler, der nicht nur in Jülich, sondern auch an der Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik an der Uniklinik RWTH Aachen forscht. Um die riesigen Datensätze zu verarbeiten, dreidimensional zu rekonstruieren und im Detail auszuwerten, benötigten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler leistungsstarke Supercomputer in Kanada und Jülich.

Präzise Mess-Ergebnisse verbessern Diagnostik und Therapiechancen

„BigBrain“ hilft uns, neue Erkenntnisse über das gesunde, aber auch erkrankte Gehirn zu gewinnen“, berichtet Prof. Dr. med. Katrin Amunts, Science-Erstautorin und Direktorin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) am Forschungszentrum Jülich.

Ein Beispiel: „Die menschliche Hirnrinde ist aufgrund ihrer Entwicklung sehr stark gefaltet“, so die Neurowissenschaftlerin. Daher lasse sich die Dicke der Hirnrinde in einigen Arealen - durch bildgebende Verfahren wie der Magnetresonanztomographie nur sehr ungenau bestimmen. Die Dicke der Hirnrinde verändert sich jedoch im Laufe des Lebens und auch bei neurodegenerativen Prozessen wie der Alzheimer’schen Erkrankung.

„Mit Hilfe unseres hochauflösenden Hirnmodells können wir nun in verschiedenen funktionellen Hirnarealen wie etwa der motorischen Rinde oder einer Hirnregion, die unter anderem für Lernen und Gedächtnis wichtig ist, neue Einsichten in deren normalen Aufbau gewinnen und zahlreiche Strukturmerkmale messen“, erläutert Katrin Amunts. Das wird dazu beitragen, Veränderungen in Patientengehirnen genau bestimmen und bewerten zu können.

Hirnforschungsverbund JARA-BRAIN verknüpft Wissenschaft und Klinik

Diese enge Verknüpfung von Wissenschaft und Klinik ist zentrales Anliegen von JARA-BRAIN. Der Hirnforschungsverbund zwischen der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich wurde 2007 gegründet. Neurowissenschaftler, Physiker, Mathematiker, Informatiker und Experten anderer Disziplinen kooperieren in vielen internatonalen Forschungsvorhaben. So fließen die neuen „BigBrain“-Erkenntnisse unter anderem in das europäische Großprojekt „Human Brain Project“ (HBP) ein, an dem beide Einrichtungen beteiligt sind. Hierbei verfolgen Forscherinnen und Forscher aus über 80 wissenschaftlichen Einrichtungen in 23 Ländern das ambitionierte Ziel, das komplette menschliche Gehirn innerhalb von zehn Jahren von der molekularen Ebene bis hin zur Interaktion ganzer Hirnregionen auf einem Supercomputer der Zukunft zu simulieren.

Weitere Informationen bei: Univ.-Prof. Dr. med. Karl Zilles, Uniklinik RWTH Aachen, Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik, Pauwelsstraße 30, 52074 Aachen, Telefon 0241/80 89 633, E-Mail: kzilles@ukaachen.de

Thomas von Salzen | idw
Weitere Informationen:
http://www.ukaachen.de

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