Das menschliche Gehirn, ein etwa 1,3 Kilogramm schweres Organ von geléeartiger Konsistenz, ist der leistungsstärkste und komplexeste Supercomputer der Natur. Es steuert Bewegungen, Emotionen, Stoffwechsel, Herzschlag und Wahrnehmung. Doch trotz seiner Bedeutung sind viele Funktionen des Gehirns noch immer rätselhaft. Die moderne Hirnforschung hat sich der Digitalisierung zugewandt, um diese Geheimnisse zu lüften und neue Therapien für neurologische und psychiatrische Erkrankungen zu entwickeln.
Interdisziplinäre Zusammenarbeit als Schlüssel zum Erfolg
Um das komplexe System des Gehirns zu erforschen, ist Kooperation unerlässlich. Der Exzellenzcluster „NeuroCure“ in Berlin verbindet Grundlagenforschung und klinische Praxis, um wissenschaftliche Erkenntnisse schneller in Therapien umzusetzen. Beteiligt sind neben der Charité - Universitätsmedizin Berlin und vier weiteren außeruniversitären Forschungsinstituten. Seit 2007 wurden viele neue interdisziplinäre Forschungsgruppen aufgebaut.
Dietmar Schmitz, Direktor des Neurowissenschaftlichen Forschungszentrums an der Charité und „NeuroCure“-Sprecher, betont die Notwendigkeit einer gemeinsamen Sprache über Fachdisziplinen und Kontinente hinweg. Das internationale Netzwerk des Clusters ist ausgedehnt, und in der kommenden Förderphase sollen bewährte Forschungsansätze ausgebaut und neue Akzente gesetzt werden, insbesondere bei Therapieansätzen mit vielversprechenden Perspektiven.
Fortschritte in der Parkinson-Behandlung durch adaptive tiefe Hirnstimulation
Ein bedeutender Durchbruch wurde kürzlich bei der Parkinson-Behandlung erzielt: Die adaptive tiefe Hirnstimulation (aDBS) kann die Hirnaktivität dynamisch beeinflussen, um Symptome wie Zittern oder Bewegungsverlangsamung zu lindern.
Die tiefe Hirnstimulation ist seit Jahren etabliert, wobei implantierte Hirnschrittmacher-Elektroden gezielte elektrische Impulse in betroffene Hirnregionen senden. Die adaptive Stimulation geht jedoch einen Schritt weiter: aDBS reagiert in Echtzeit auf die Hirnaktivität der Patient:innen und passt die Stimulation individuell an.
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Andrea Kühn, stellvertretende Sprecherin im Cluster und Direktorin der Sektion Bewegungsstörungen und Neuromodulation an der Charité, erklärt, dass spezielle Algorithmen die elektrische Aktivität des Gehirns ständig überwachen und die Impulse automatisch angepasst werden.
Leibniz-Preise für „NeuroCure“-Forschende
Die Bedeutung der „NeuroCure“-Forschung wurde jüngst durch die Verleihung zweier Gottfried Wilhelm Leibniz-Preise an „NeuroCure“-Forschende unterstrichen. Volker Haucke vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) erforscht, wie Stoffe aus den Zellen heraus transportiert werden, um Signale präzise an die Synapsen zu übertragen und so die Degeneration von Nervenzellen zu vermeiden. Ana Pombo vom Max Delbrück Center (MDC) untersucht, wie Umwelteinflüsse auf das Zusammenspiel der Gene des Erbgutfadens in der Zelle wirken und damit Autismus oder Epilepsie auslösen könnten.
Autoimmunerkrankungen und neue Therapieansätze
Demenz, Psychosen und Wahnvorstellungen können auch Folge einer Autoimmunerkrankung sein. Hierbei greift das Immunsystem fälschlicherweise körpereigenes Gewebe an und löst im Gehirn Entzündungen aus, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen stören.
Ein weiterer Schwerpunkt der künftigen „NeuroCure“-Forschung liegt auf Gen- und Zelltherapie. Körpereigene Zellen werden genetisch verändert oder gezielt programmiert, um krankmachende Immunreaktionen zu stoppen und schädliche Antikörper zu eliminieren. Um diese Ansätze voranzutreiben und die Forschungsergebnisse schneller in die klinische Praxis zu überführen, kooperiert die Charité mit dem Berlin Institute of Health (BIH) und Bayer.
Neue Forschungszentren und Kooperationen
Medizin und Biologie rücken räumlich noch enger zusammen, und es wird eine Brücke in die Gesellschaft gebaut. Im März begann der Bau für das neue Forschungszentrum für Optobiologie auf dem Campus-Nord der HU Berlin, nahe dem Charité-Bettenhaus. Gemeinsam wollen die Berliner Forschungspartner herausfinden, wie Licht auf Lebewesen wirkt und wie man das für medizinische Zwecke nutzen kann. Das Gebäude entsteht nahe dem modernen Forschungsgebäude Charité CrossOver (CCO), wo der Exzellenzcluster „NeuroCure“ bereits seit einigen Jahren Forschung und Lehre betreibt, um das Gehirn zu verstehen.
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Funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS): Eine neue Methode zur Klassifizierung von Gehirnzuständen
Forschende haben eine neue Methode entwickelt, die es erlaubt, mit funktioneller Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) Gehirnzustände erheblich sicherer als bislang zu klassifizieren. fNIRS ist ein bildgebendes Verfahren, das neuronale Aktivität messen kann. Da aktive Gehirnzellen mehr Sauerstoff benötigen, geben Veränderungen im Blutfluss und in der Sauerstoffsättigung Aufschluss darüber, welche Gehirnregionen zu einem gegebenen Zeitpunkt genutzt werden. fNIRS erfasst diese Schwankungen ohne invasive Eingriffe oder Risiken für die Patientinnen und Patienten.
Ein internationales Forschungsteam hat nun eine Methode zur Erkennung von Gehirnzuständen mit fNIRS entwickelt, die auf die Besonderheiten des fNIRS-Signals zugeschnitten ist und daher genauere Ergebnisse liefert. Im Gegensatz zu anderen bildgebenden Verfahren misst fNIRS nämlich sowohl das sauerstoffreiche als auch das sauerstoffarme Blut.
Die Studienergebnisse könnten die Diagnose von Bewusstseinsstörungen deutlich verbessern. Da betroffene Patienten oft kaum oder gar nicht in der Lage sind, sich zu bewegen oder zu kommunizieren, ist es schwierig festzustellen, ob sie noch ein gewisses Maß an Wachheit und Bewusstsein besitzen. Eine präzise Diagnose ist jedoch für eine wirksame Behandlung und eine verlässliche Prognose unerlässlich.
Die Digitalisierung der Hirnforschung in Jülich
Die Hirnforschung hat sich mithilfe der Digitalisierung völlig neu erfunden. Der digitale 3D-Hirnatlas, den Katrin Amunts über zwei Jahrzehnte in Jülich entwickelte, hat vieles möglich gemacht, was vorher völlig undenkbar erschien. Der Julich Brain Atlas hat erstmals unterschiedlichste, hochaufgelöste 3D-Hirnkarten mit zahllosen Tools und interaktiven Funktionen verknüpft. Amunts’ Atlas wurde zum Herzstück der europäischen digitalen Infrastruktur EBRAINS, die Forschende seit Januar 2024 weltweit nutzen können.
Schwierige Anfänge gab es mit den immer größer werdenden Bilddateien, die die Datenmengen erhöhten und Computer an ihre Grenzen brachten. Im BigBrain-Projekt traute sich das INM 2011 dann erstmals ans Supercomputing heran. Um Neurowissenschaften und Supercomputing enger zusammenzuführen, hoben sie 2013 ein entscheidendes Helmholtz-Projekt aus der Taufe. Als wichtige Schnittstelle folgte ein gemeinsames Simulation & Data Lab, kurz SDL. All das half dabei, Fragestellungen der Hirnforschung auf große Rechenmaschinen zu bringen.
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Die Rolle des Human Brain Project (HBP)
Das Human Brain Project (HBP) war für Europas Hirnforschung ein absoluter Glücksfall. Das Gehirn ist so komplex, dass sich seine Erforschung bis dahin auf viele Unterdisziplinen verteilt hatte. Im HBP wurden unterschiedlichste Welten zum ersten Mal systematisch in ganz Europa zusammengebracht und mit Computing verknüpft. So haben Forschende über zehn Jahre gelernt, miteinander zu diskutieren und zu arbeiten.
Diese stetig wachsende internationale Zusammenarbeit über Fachgrenzen hinweg ist einer der größten Erfolge des 2023 abgeschlossenen EU-Projekts. Das ermöglichte auch, eine neue Generation von Forschenden auszubilden, die genau an diesen Schnittstellen zwischen Neurowissenschaften, Medizin, Computing und Technologie arbeitet. Die Digitalisierung wird in der Hirnforschung auch künftig noch viele neue Tore aufstoßen.
Die Bedeutung inhibitorischer Nervenzellen für die Gehirnentwicklung
Inhibitorische Nervenzellen entstehen während der Gehirnentwicklung durch Teilung von sogenannten Vorläuferzellen. Die Forschenden untersuchten auch, wie die beschleunigte Reifung der späten inhibitorischen Nervenzellen reguliert wird. Sie fanden heraus, welche Gene an diesem Prozess beteiligt sind und wie sie steuern, wann und wie stark die Zellen bestimmte Abschnitte ihrer Erbinformationen ablesen und nutzen. Die beschleunigte Entwicklung hängt dabei mit Veränderungen im Entwicklungspotential der Vorläuferzellen zusammen. Veränderungen in diesen Genen oder Mechanismen können schon während der Embryonalentwicklung die Entwicklungspfade beeinflussen, die möglicherweise zu Erkrankungen wie Autismus oder Epilepsie führen. Die neuen Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, dass hemmende Nervenzellen während der Gehirnentwicklung rechtzeitig ausgereift sind - egal zu welchem Zeitpunkt sie entstanden sind.
Lernprozesse im Gehirn formen unsere Wahrnehmung
Ein Forschungsteam um Markus Siegel vom Hertie-Institut für klinische Hirnforschung an der Universität Tübingen hat herausgefunden, dass unser Gehirn ständig die eigene Wahrnehmung der Welt optimiert, indem es aus den Erfahrungen der Vergangenheit lernt und Vorhersagen über die Zukunft trifft. Die Studie zeigt, dass das Gehirn seine neuronalen Strukturen so anpasst, dass es besser auf die Muster und Regelmäßigkeiten in unserer Umwelt reagieren kann. Dieses Vorhersagelernen könnte uns helfen, Informationen schneller zu verarbeiten und uns im Alltag leichter zurechtzufinden.
Besonders überraschend war, dass dabei ein Netzwerk aus sensorischen und höheren assoziativen Gehirnregionen zusammenarbeitet, um Vorhersagefehler zu erkennen und zu korrigieren. Das bedeutet, dass verschiedene Bereiche des Gehirns gemeinsam daran arbeiten, die Umwelt aktiv zu „verstehen“ und zu lernen, was als Nächstes passieren könnte.
DELiVR: Eine KI-basierte Lösung für die Gehirnforschung
Forschende von Helmholtz Munich und dem LMU Klinikum stellen DELiVR vor, eine neue KI-basierte Lösung für komplexe Aufgaben in der Gehirnforschung. Indem es fortgeschrittene Programmierkenntnisse überflüssig macht, demokratisiert das Deep-Learning-Tool die moderne Neurowissenschaft. Um spezifische Zellen in Gehirnscans genau zu quantifizieren, hat das Forschungsteam zunächst einen KI-Algorithmus darauf trainiert, diese Zellen in mikroskopischen 3D-Bildern zu erkennen. Mithilfe von Virtual Reality (VR) tauchten die Forschenden dann direkt in die Bilder ein und markierten die Zellen in 3D mit Labels - eine weitaus schnellere und präzisere Methode im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen in 2D, für die Zellproben auf feinen Scheiben genutzt werden. Letztendlich kombiniert DELiVR (kurz für „Deep Learning and Virtual Reality mesoscale annotation“) die Prozesse der Zellenerkennung, des Abgleichs mit einem Gehirnatlas und der Visualisierung der Ergebnisse in einer Pipeline.
Synaptische Kommunikation in der Großhirnrinde
Eine neue Studie aus Leipzig bringt Licht in ein besonders faszinierendes Detail: In der Großhirnrinde funktionieren Synapsen nicht nur schnell, sondern auch außerordentlich zuverlässig. Die Kommunikation im Gehirn läuft an sogenannten Synapsen ab - winzigen Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen. Damit ein Signal von einer Zelle zur nächsten springt, müssen chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) freigesetzt werden. Dieser Vorgang wird durch Kalzium-Ionen ausgelöst, die bestimmte Sensorproteine aktivieren. Die neue Studie aus dem Carl-Ludwig-Institut der Universität Leipzig zeigt nun: In der Großhirnrinde reichen bereits extrem geringe Mengen Kalzium, um eine zuverlässige Signalübertragung auszulösen.
Die genaue Kenntnis dieser Faktoren im gesunden Gehirn legt die Basis dafür, gestörte Prozesse etwa bei Hirnerkrankungen zu erkennen und Therapieansätze zu entwickeln.
Neuro-Bildgebung: Ein Blick in das lebende Gehirn
Einen Blick in das lebende Gehirn werfen - die Neuro-Bildgebung macht es möglich. Dabei können Wissenschaftler mit nicht-invasiven Untersuchungen sowohl etwas über die Struktur als auch über die Funktion des Gehirns lernen. Eine der ersten bildgebenden Techniken zur Messung von Aktivität im Gehirn war die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Bei dieser Methode nutzen die Forscher die Tatsache, dass der Stoffwechsel von Nervenzellen erhöht ist, wenn ein Mensch eine Tätigkeit ausübt. Vor etwa 20 Jahren wurde die Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) entwickelt, die ohne Radioaktivität auskommt. Die MRT arbeitet mit einem Magnetfeld, auf das die Atome in den Körperzellen reagieren. Im nächsten Schritt galt es nun, neben der Struktur auch die Funktion zu erfassen. Hier machten sich die Wissenschaftler zunutze, dass der rote Blutfarbstoff, das Hämoglobin, seine magnetischen Eigenschaften ändert, wenn Sauerstoff transportiert wird. Das heißt, dort, wo gerade viel Sauerstoff unterwegs ist, erscheint das MRT-Bild nun beispielsweise heller. So wird statt eines externen Kontrastmittels das Blut selbst als Kontrastmittel genutzt, um aktive Bereiche im Gehirn zu visualisieren. Damit war die funktionelle MRT, kurz fMRT, geboren.
Besonders bei der Erforschung von psychiatrischen, neurologischen und neurodegenerativen Erkrankungen, wie Morbus Alzheimer, ist der Einsatz der funktionellen Bildgebung fortgeschritten.
Das alternde Gehirn: Schichtweise Veränderungen in der Hirnrinde
Das menschliche Gehirn altert weniger als gedacht und schichtweise - jedenfalls in dem für den Tastsinn zuständigen Bereich der Hirnrinde. Zu diesem Schluss kommen Forschende des DZNE, der Universität Magdeburg und des Hertie-Instituts für klinische Hirnforschung an der Universität Tübingen anhand von Hirnscans von jungen und älteren Erwachsenen sowie Untersuchungen an Mäusen.
Mittels Magnetresonanztomografie (MRT) konnten die Forschenden diesen Bereich der Hirnrinde mit bislang unerreichter Genauigkeit vermessen. Sie nutzen dafür einen besonders leistungsfähigen Scanner mit einer Magnetfeldstärke von sieben Tesla, so dass sie filigrane Hirnstrukturen etwa von der Größe eines Sandkorns abbilden konnten. Insgesamt rund 60 Frauen und Männer im Alter zwischen 21 und 80 Jahren wurden untersucht.
Die Forschenden fanden allerdings Hinweise dafür, dass Mechanismen in den tiefen Hirnschichten sich dem altersbedingten Funktionsverlust zu einem gewissen Grad widersetzen.
Hirnorganoide: Einblicke in die Entwicklung des menschlichen Gehirns
Hirnorganoide werden in der Forschung eingesetzt, um die Entwicklung des menschlichen Gehirns zu untersuchen. Mit diesen aus menschlichen pluripotenten Stammzellen gewonnenen 3D-Modelle können Wissenschaftler Eigenschaften untersuchen, die einzigartig für das menschliche Gehirn sind.
Bei der neu präsentierten Methode stellten die Forscher zunächst lange lineare Organoide her. Diese linearen Organoide wurden dann durch Fusion mit einem Zellhaufen, der einen Faktor namens FGF8 produziert, strukturiert. Diese einzige, asymmetrische Quelle von FGF8 sorgt für die Genexpression und die Segregation der Zellen entlang der Längsachse der Organoide, ähnlich dem Muster, das im menschlichen Kortex zu sehen ist. Anschließend demonstrierten die Wissenschaftler, wie kortikale Organoide für die Untersuchung von Hirnerkrankungen eingesetzt werden können.