Es gibt viele andere Gehirnatlanten, die meisten liefern jedoch Daten mit viel geringerer Auflösung. Auf der Nanoskala können Forscher die Verkabelung eines Neurons im Gehirn bis zu den Synapsen, den Stellen, an denen sie sich verbinden, verfolgen. „Um wirklich zu verstehen, wie das menschliche Gehirn funktioniert, wie es Informationen verarbeitet und wie es Erinnerungen exportiert, benötigen wir letztendlich eine Karte mit dieser Auflösung“, sagt Viren Jain, leitender Forschungswissenschaftler bei Google und Mitautor des Artikels, veröffentlicht in Wissenschaft am 9. Mai. Der Datensatz selbst und eine Vorabdruckversion dieses Papiers wurden 2021 veröffentlicht.
Gehirnatlanten gibt es in vielen Formen. Einige verraten, wie die Zellen organisiert sind. Andere befassen sich mit der Genexpression. Dieses konzentriert sich auf Verbindungen zwischen Zellen, ein Feld namens „Connectomics“. Die äußerste Schicht des Gehirns enthält etwa 16 Milliarden Neuronen, die miteinander verbunden sind und Billionen von Verbindungen bilden. Ein einzelnes Neuron könnte Informationen von Hunderten oder sogar Tausenden anderen Neuronen empfangen und Informationen an eine ähnliche Nummer senden. Das macht die Verfolgung dieser Zusammenhänge zu einer äußerst komplexen Aufgabe, selbst in nur einem kleinen Teil des Gehirns.
Um diese Karte zu erstellen, musste das Team eine Reihe von Hürden überwinden. Das erste Problem bestand darin, eine Probe von Gehirngewebe zu finden. Das Gehirn verschlechtert sich nach dem Tod schnell, sodass Leichengewebe nicht mehr funktioniert. Stattdessen verwendete das Team ein Gewebestück, das einer Frau mit Epilepsie während einer Gehirnoperation entnommen wurde, um ihre Anfälle unter Kontrolle zu bringen.
Sobald die Forscher die Probe hatten, mussten sie sie sorgfältig in Harz konservieren, damit sie in Scheiben geschnitten werden konnten, von denen jede etwa ein Tausendstel so dick war wie ein menschliches Haar. Anschließend bildeten sie die Schnitte mit einem Hochgeschwindigkeits-Elektronenmikroskop ab, das speziell für dieses Projekt entwickelt wurde.
Als nächstes kam die rechnerische Herausforderung. „All diese Drähte verlaufen überall in drei Dimensionen und stellen alle möglichen unterschiedlichen Verbindungen her“, sagt Jain. Das Team von Google nutzte ein maschinelles Lernmodell, um die Scheiben wieder zusammenzufügen, sie aufeinander auszurichten, die Verkabelung farblich zu kennzeichnen und die Verbindungen zu finden. Das ist schwieriger als es scheint. „Wenn Sie einen einzigen Fehler machen, sind jetzt alle an diesem Kabel angeschlossenen Verbindungen falsch“, sagt Jain.
„Die Fähigkeit, eine so detaillierte Rekonstruktion jeder menschlichen Gehirnprobe zu erhalten, ist ein wichtiger Fortschritt“, sagt Seth Ament, Neurowissenschaftler an der University of Maryland. Die Karte kommt „der Grundwahrheit am nächsten, die wir derzeit bekommen können“. Er warnt aber auch davor, dass es sich um eine einzelne Gehirnprobe handelt, die einer einzelnen Person entnommen wurde.
Die Karte, die auf einer Webplattform namens Neuroglancer frei verfügbar ist, soll als Ressource für andere Forscher dienen, die sie für ihre eigenen Entdeckungen nutzen können. „Jetzt kann jeder, der daran interessiert ist, den menschlichen Kortex in diesem Detaillierungsgrad zu untersuchen, selbst in die Daten einsteigen. Sie können bestimmte Strukturen Korrektur lesen, um sicherzustellen, dass alles korrekt ist, und dann ihre eigenen Ergebnisse veröffentlichen“, sagt Jain. (Der Vorabdruck wurde bereits 136 Mal zitiert.)
Das Team hat bereits einige Überraschungen identifiziert. Beispielsweise bildeten einige der langen Ranken, die Signale von einem Neuron zum nächsten übertragen, „Wirtel“, Stellen, an denen sie sich um sich selbst drehten. Axone bilden typischerweise eine einzelne Synapse, um Informationen an die nächste Zelle zu übertragen. Das Team identifizierte einzelne Axone, die wiederholte Verbindungen bildeten – in einigen Fällen 50 separate Synapsen. Warum das so sein könnte, ist noch nicht klar, aber die starken Bindungen könnten dazu beitragen, sehr schnelle oder starke Reaktionen auf bestimmte Reize zu ermöglichen, sagt Jain. „Es ist eine sehr einfache Erkenntnis über die Organisation des menschlichen Kortex“, sagt er. Aber „das wussten wir vorher nicht, weil wir keine Karten in dieser Auflösung hatten.“
Der Datensatz steckte voller Überraschungen, sagt Jeff Lichtman, ein Neurowissenschaftler an der Harvard University, der die Forschung mitgeleitet hat. „Es waren einfach so viele Dinge darin, die nicht mit dem vereinbar waren, was man in einem Lehrbuch lesen würde.“ Die Forscher haben vielleicht keine Erklärungen für das, was sie sehen, aber sie haben viele neue Fragen: „So schreitet die Wissenschaft voran.“