Und der Ort dieser Komplexität ist überraschend. Die Neurowissenschaften haben einen Großteil ihrer Forschung auf die äußere Hülle des Gehirns konzentriert, die für Gedächtnis, Lernen, Sprache und mehr verantwortlich ist. Aber der Großteil der zellulären Vielfalt liegt tatsächlich in älteren evolutionären Strukturen tief im Gehirn, sagt Lein.
Wie wurden diese Atlanten hergestellt?
Der klassische neurowissenschaftliche Ansatz zur Klassifizierung von Zelltypen basiert entweder auf der Zellform – man denke an sternförmige Astrozyten – oder auf der Art der Aktivität der Zellen – wie beispielsweise schnell ansteigenden Interneuronen. „Diese Zellatlanten nutzen eine neue Reihe von Technologien, die aus der Genomik stammen“, sagt Lein, vor allem eine Technik, die als Einzelzellsequenzierung bekannt ist.
Zunächst beginnen die Forscher mit einem kleinen Stück gefrorenem Hirngewebe aus einer Biobank. „Man nimmt ein Gewebe, zermahlt es und profiliert viele Zellen, um daraus einen Sinn zu machen“, sagt Lein. Sie verstehen es, indem sie die Zellkerne sequenzieren, um die Gene zu untersuchen, die exprimiert werden. „Jeder Zelltyp verfügt über einen zusammenhängenden Satz an Genen, die er typischerweise verwendet. Und man kann alle diese Gene messen und dann alle Zelltypen auf der Grundlage ihres gesamten Genexpressionsmusters gruppieren“, sagt Lein. Anschließend können sie mithilfe von Bilddaten des Spendergehirns diese funktionellen Informationen dort platzieren, wo sie räumlich hingehören.
Wie können Wissenschaftler diese Gehirnzellatlanten nutzen?
So viele Wege. Ein entscheidender Nutzen besteht jedoch darin, die Grundlagen von Hirnerkrankungen zu verstehen. Ein Referenzatlas des menschlichen Gehirns, der ein normales oder neurotypisches Gehirn beschreibt, könnte Forschern helfen, Depressionen, Schizophrenie oder viele andere Arten von Krankheiten zu verstehen, sagt Lein. Nehmen wir als Beispiel Alzheimer. Sie könnten dieselben Methoden anwenden, um die Gehirne von Menschen mit unterschiedlichem Schweregrad der Alzheimer-Krankheit zu charakterisieren und diese Gehirnkarten dann mit dem Referenzatlas zu vergleichen. „Und jetzt können Sie anfangen, Fragen zu stellen wie: ‚Sind bestimmte Arten von Zellen für Krankheiten anfällig oder sind bestimmte Arten von Zellen ursächlich“, sagt Lein. (Er ist Teil eines Teams, das bereits daran arbeitet.) Anstatt Plaques und Knäuel zu untersuchen, können Forscher Fragen zu „sehr spezifischen Arten von Neuronen stellen, die die eigentlichen Schaltkreiselemente sind, die wahrscheinlich gestört werden und funktionale Konsequenzen haben“, sagt er sagt.
Was ist der nächste Schritt?
Bessere Auflösung. „Die nächste Phase geht wirklich zu einer sehr umfassenden Berichterstattung über das menschliche und nichtmenschliche Gehirn von Primaten im Erwachsenenalter und in der Entwicklung.“ Tatsächlich hat diese Arbeit bereits mit dem BRAIN Initiative Cell Atlas Network begonnen, einem fünfjährigen Projekt mit einem Volumen von 500 Millionen US-Dollar. Ziel ist es, einen vollständigen Referenzatlas der Zelltypen im menschlichen Gehirn über die gesamte Lebensspanne zu erstellen und darüber hinaus Zellinteraktionen abzubilden, die einer Vielzahl von Hirnerkrankungen zugrunde liegen.