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Neu in "Science": der Julich-Brain Atlas

31.07.2020

"Julich-Brain" heißt der erste 3D-Atlas des menschlichen Gehirns, der die Variabilität der Gehirnstruktur mit mikroskopischer Auflösung abbildet. Über 24.000 hauchdünne Hirnschnitte wurden dafür digitalisiert, in 3D zusammengesetzt und von Experten kartiert. Als Teil der neuen EBRAINS-Infrastruktur des europäischen Human Brain Projects dient der Atlas als „Interface“, um Informationen über das Gehirn räumlich präzise zu verknüpfen. Jülicher und Düsseldorfer Forscher unter der Leitung von Prof. Katrin Amunts haben den neuen Gehirnatlas nun in der renommierten Fachzeitschrift Science vorgestellt.

Unter dem Mikroskop lässt sich erkennen, dass das menschliche Gehirn nicht einheitlich aufgebaut ist, sondern in klar abgrenzbare Hirnregionen aufgeteilt werden kann. Diese unterscheiden sich in Verteilung und Dichte der insgesamt etwa 86 Milliarden Nervenzellen und auch in ihrer Funktion.


Die Architektur der Nervenzellen ändert sich an der Grenze zwischen zwei Arealen (gestrichelte Linie). Das ist die Grundlage der Kartierung. Die Areale der untersuchten Gehirne werden in den Julich-Brain Atlas gebracht und hier überlagert.

Forschungszentrum Jülich / Katrin Amunts


Wahrscheinlichkeitskarte des Frontalpols und Gesamt-Kartenansicht

Forschungszentrum Jülich / Katrin Amunts

Mit dem Julich-Brain präsentieren Forscher um Katrin Amunts nun die bisher umfangreichste digitale Karte dieser zellulären Architektur und stellen sie weltweit über die Forschungsinfrastruktur EBRAINS zur Verfügung.

"Zum einen wird der digitale Hirnatlas dazu beitragen, Ergebnisse von Bildgebungsstudien, etwa von Patienten, genauer zu interpretieren", so Katrin Amunts, Direktorin am Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin und Professorin an der Universität Düsseldorf.

"Zum anderen soll er Grundlage für eine Art 'Google Earth' des Gehirns werden – denn die Zellebene bildet die beste Basis, um Wissen über ganz unterschiedliche Facetten des Gehirns zusammenzuführen."

Auf diese Weise tragen die Forscher wesentlich zum Human Brain Project bei, für das die Europäische Kommission gerade 150 Millionen Euro bis 2023 bewilligt hat. "Gemeinsam mit vielen Partnern bauen wir dabei EBRAINS als eine neuartige Hightech-Forschungsinfrastruktur für die Neurowissenschaft auf", so Amunts, die wissenschaftliche Leiterin des Projektes ist.

Mehr als ein Vierteljahrhundert Forschung steckt in dem 3D-Atlas. Zehntausende Gewebeschnitte von insgesamt 23 Gehirnen wurden gescannt und im Computer Schicht für Schicht wieder zusammengesetzt. Dutzende Experten haben die Gewebeschnitte über die Jahre ausgewertet und mithilfe von Bildanalyse und mathematischen Algorithmen Grenzen zwischen den Hirnarealen bestimmt, die zusammen eine Länge von fast 2000 Metern ergeben.

Bis jetzt sind Karten von rund 250 Arealen – etwa 70 Prozent der Hirnrinde und tieferliegender Kerngebiete – fertig gestellt und veröffentlicht. Jede davon basiert auf zehn Gehirnen und ist mit detaillierten Informationen versehen.
Wahrscheinlichkeitskarten machen Unterschiede zwischen den Gehirnen erfassbar

Bei der Kartierung zeigte sich, dass die Areale verschiedener Gehirne sehr unterschiedlich sein können, etwa hinsichtlich ihrer Größe und Lage. Besonders große Unterschiede fanden die Forscher in der für Sprache wichtigen Broca-Region. Im Gegensatz dazu erschienen etwa für das Sehen wichtige Areale viel einheitlicher. Lage und Form einzelner Regionen zeigt das Julich-Brain deshalb als "Wahrscheinlichkeitskarten" an. Unterschiedliche Farben zeigen an, wie häufig sich ein bestimmtes Areal an der jeweiligen Stelle findet.

Als Teil von EBRAINS ist der Jülicher Hirnatlas Ausgangspunkt, um Struktur und Funktion zusammenzubringen. Schon heute hilft der Atlas dabei, beispielweise Daten zu Genexpression, Konnektivität und funktioneller Aktivität zu verknüpfen, um die Funktionsweise des Gehirns und die Mechanismen von Erkrankungen besser zu verstehen. "EBRAINS ermöglicht es uns auch, die Karten für Simulationen zu nutzen oder Methoden der Künstlichen Intelligenz einzusetzen, um die Arbeitsteilung zwischen den Hirnarealen besser zu verstehen. Die riesigen Datenmengen, die dabei anfallen, werden mithilfe der EBRAINS-Computing Plattform verarbeitet."

Die Rechenpower kommt dabei vom neuen Europäischen Supercomputing-Netzwerk FENIX, zu dem sich fünf führende Zentren für Höchstleistungsrechnen, darunter das Jülicher JSC, zusammengeschlossen haben.

"Es ist beeindruckend, wie weit die Verbindung von Hirnforschung und digitalen Techniken vorangekommen ist", sagt Amunts. "Viele dieser Entwicklungen laufen im Julich-Brain Atlas und auf EBRAINS zusammen. Sie helfen uns – und immer mehr Forschern weltweit – die komplexe Organisation des Gehirns besser zu verstehen und gemeinsam die Zusammenhänge aufzudecken."

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. med. Katrin Amunts
Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1)
Cécile und Oskar Vogt-Institut für Hirnforschung
Heinrich-Heine-Universität / Universitätsklinikum Düsseldorf
und Vorsitzende des Science and Infrastructure Board (SIB) des Human Brain Project (HBP)
Tel.: +49 2461 61-4300
E-Mail: k.amunts@fz-juelich.de

Originalpublikation:

Katrin Amunts, Hartmut Mohlberg, Sebastian Bludau, Karl Zilles: Julich-Brain – a 3D probabilistic atlas of human brain’s cytoarchitecture. Science (First Release), DOI: 10.1126/science.abb4588

Weitere Informationen:

https://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2020/2020-07-31-ju... Pressemitteilung des Forschungszentrums Jülich

Dipl.-Biologin Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

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