Das menschliche Gehirn, ein komplexes Netzwerk aus fast 100 Milliarden Neuronen, ist Gegenstand intensiver Forschung. Anatomen wie Korbinian Brodmann haben bereits versucht, die Hirnrinde zu kartieren und in Felder mit unterschiedlicher Zellarchitektur und Funktion einzuteilen. Moderne Neurowissenschaftler konzentrieren sich jedoch zunehmend auf die Verknüpfungen zwischen einzelnen Nervenzellen und ganzen Netzwerken von Neuronen, um die Arbeitsweise des Gehirns besser zu verstehen.
Konnektomforschung: Eine neue Disziplin
In den letzten zehn Jahren hat sich die Konnektomforschung als neue Disziplin der Neurowissenschaften etabliert. Ziel ist es, einen Schaltplan des menschlichen Gehirns mit all seinen Verknüpfungen zu erstellen. Das erste Projekt dieser Art war die Kartierung des Nervensystems des Fadenwurms Caenorhabditis elegans mit nur 300 Neuronen. Dieses Projekt dauerte 14 Jahre bis zur Veröffentlichung im Jahr 1986. Dank verbesserter Präparier- und Mikroskopietechniken sowie leistungsfähigerer Computer lassen sich inzwischen auch größere Gehirne kartieren.
Die Konnektomforschung steht jedoch noch am Anfang, und Neurowissenschaftler sind sich noch nicht einig, wie die gewonnenen Daten am besten genutzt werden können. Das Wissen über die Verbindungen eines Neurons zu seinen Nachbarn bedeutet noch nicht, dass man seine genaue Aufgabe kennt oder welche Rolle es im gesamten Nervensystem spielt.
Die Individualität des Gehirns: Einzigartige Aktivitätsmuster
Ähnlich wie Gesicht, Fingerabdruck und DNA ist auch das Gehirn eines jeden Menschen einzigartig. Seit Jahrzehnten suchen Forscher nach Hirnaktivitätsmustern, die bei allen Probanden einer Stichprobe gemeinsam auftreten. Dies ist jedoch oft schwierig, da sich die Aktivitäten unterscheiden, obwohl die Personen dieselbe Aufgabe lösen. Die Frage ist, ob die einzelnen Hirnareale bei allen Menschen unterschiedlich verknüpft sind und bei jedem auf einzigartige Weise zusammenarbeiten.
Emily Finn und ihre Kollegen von der Yale University haben sich dieser Frage in einer 2015 veröffentlichten Studie gewidmet. Sie nutzten Daten des amerikanischen Human Connectome Project (HCP), das einen Schaltplan des menschlichen Gehirns mit all seinen Verknüpfungen erstellen will. Im Rahmen des HCP wurden 126 Probanden an zwei aufeinanderfolgenden Tagen einer funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) unterzogen. Die Freiwilligen widmeten sich dabei sowohl Aufgaben, die ihr Arbeitsgedächtnis beanspruchten, Sprachaufgaben lösten, Gesichtsausdrücke bewerteten oder mit den Zehen wackelten, als auch Phasen, in denen sie ihre Gedanken schweifen ließen.
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Gedanken als elektrische Ströme: Der "Gedankenabdruck"
Gedanken sind unsichtbare elektrische Ströme, über die sich die Milliarden Nervenzellen miteinander "unterhalten", also Informationen aufnehmen, austauschen und verarbeiten. Bei jedem Gedanken arbeiten Netze von Neuronen in der Großhirnrinde zusammen. Es gibt keine zentrale Stelle, die den einzelnen Gedanken erfasst, sondern ein Gedanke verstreut sich immer gleichzeitig über das gesamte Gehirn. Jeder einzelne Gedanke hinterlässt dabei ein eigenes, unverwechselbares Muster, eine Art Abdruck im Gehirn.
Die Information wird von Zelle zu Zelle über Synapsen weitergegeben, den Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Nervenzellen. Die Nervenzellen "feuern", wie Hirnforscher es nennen, was bedeutet, dass jeder Sinneseindruck bei mehreren Nervenzellen gleichzeitig im Gehirn ankommt und diese stimuliert. Dadurch werden Tausende von Zellen aktiv.
Experten können diese Muster sichtbar machen, lesen und deuten. So wie es einen spezifischen Fingerabdruck gibt, so entsteht ein ganz bestimmter Gedankenabdruck. Mit Kernspintomographen können die Gehirnaktivitäten verfolgt und bei mehreren Versuchspersonen miteinander verglichen werden.
Der "Brainprint": Einzigartige Hirnaktivität als biometrisches Merkmal
Wissenschaftler haben sich die Einzigartigkeit der Hirnaktivität eines Menschen zunutze gemacht, um einen "Brainprint" zu erzeugen. Sie spielten Versuchspersonen 500 Bilder unterschiedlichster Inhalte vor und erfassten währenddessen ihre Hirnaktivität mit Hilfe eines EEGs. Anhand der Daten konnte das Team dann bei erneuten Tests eine Person mit einer Genauigkeit von 100 Prozent wiedererkennen.
Das Team um Sarah Laszlo von der Binghamton University hofft, das Verfahren im Ultrahochsicherheitsbereich einsetzen zu können. Es könnte beispielsweise sicherstellen, dass ausschließlich Berechtigte Zugang zu Nuklearwaffen bekommen. Die Technik misst dabei unwillkürliche Reaktionen der Probanden - es genügt, sich der Bilderflut auszusetzen. Das "Cognitive Event-RElated Biometric REcognition (CEREBRE)" getaufte Verfahren betrachtet dann, wann und wo eine Abbildung oder ein geschriebenes Wort eine entsprechende Reaktion im Gehirn auslöst.
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Die Forscher sehen ihre aktuelle Studie zunächst als Nachweis der prinzipiellen Machbarkeit. Die so genannten ereigniskorrelierten Potenziale, die sie mit ihrem EEG erheben, taugten als Eigenschaft, um Personen sehr genau zu identifizieren - zumindest in ihrem Versuch mit 50 Freiwilligen. Anders als Fingerabdrücke oder Netzhaut lasse sich ein "Brainprint" nicht stehlen. Und im unwahrscheinlichen Fall, dass ein Hacker doch eine Möglichkeit findet, den "Gehirnabdruck" einer Person nachzuahmen, bestehe die Möglichkeit, einen neuen Brainprint im System anzulegen - ähnlich, wie man ein Passwort ändert.
BrainMapping: Ein Fingerabdruck des Gehirns
Beim sogenannten BrainMapping wird eine Art Fingerabdruck des Gehirns mit Hilfe von einer EEG Messung erstellt. Dafür werden die Gehirnaktivitäten unter verschiedenen Bedingungen über mehrere Minuten an insgesamt 19 Positionen aufgezeichnet. Algorithmen wandeln die Rohdaten in ein Gehirnprofil um, das an eine Landkarte erinnert. Anhand dieser BrainMaps kann man sehen, wie das jeweilige Gehirn arbeitet und daraus ableiten, welche Bedingungen förderlich sind.
Die Rolle der Synapsen und Neurotransmitter
Wichtig für unsere Gehirnleistung ist nicht nur die Leistung der einzelnen Nervenzellen, sondern auch, wie der Austausch zwischen ihnen funktioniert. Die Information muss von Zelle zu Zelle weitergegeben werden. "Synapsen" heißen die Verbindungsstellen, eine Art enger Spalt, zwischen den einzelnen Nervenzellen, die den Informationstransport in alle Richtungen ermöglichen. Das funktioniert so, dass eine Nervenzelle eine Substanz ausschüttet, die die nächste wahrnimmt und weiterleitet.
Es gibt Schaltstellen der Kommunikation zwischen Nervenzellen. Man kann sich eine Empfangsstation vorstellen. An einer Synapse können Substanzen und Enzyme umspült werden. Ein Neurotransmitter ist eine chemische Substanz, die von einer Nervenzelle als Reaktion auf einen Reiz hin ausgeschüttet wird. Es ist wichtig, zwischen Neurotransmittern zu unterscheiden, die eine erregende Wirkung haben, von solchen, die hemmend wirken. Ein Beispiel für einen erregenden Neurotransmitter ist die Aminosäure L-Glutamat. Glutamatrezeptoren besitzen Bindungsstellen für Glutamat, die zur Öffnung eines Ionenkanals führen. Durch diesen Kanal strömen positiv geladene Ionen in das postsynaptische Neuron.
Glutamat wird aber nicht nur in Synapsen ausgeschüttet. Eine übermäßige Glutamatkonzentration außerhalb von Nervenzellen kann zur Übererregung von Nervenzellen führen, was letztlich zum Tod der Zelle führt. Man vermutet, dass dieser Mechanismus eine Rolle bei neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimerschen Krankheit spielt.
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Genexpression und dynamische Genomanalyse
Die Aktivität aller Gene in Zellen gleichzeitig zu bestimmen, ist für das Verständnis der Gehirnfunktion unerlässlich. Die Genexpression kann durch Veränderungen im Kern der Nervenzelle gespeichert werden und muss bei Bedarf von dort abgerufen werden. Die von den Genen abgelesenen Informationen werden in mRNA-Moleküle umgewandelt und auch als „Transkripte“ bezeichnet. Diese Transkripte dienen als Vorlage für die Proteinsynthese.
Die dynamische Genomanalyse ermöglicht es, Änderungsmuster in der Genexpression im Zeitverlauf zu beobachten. So können beispielsweise frühe und späte Änderungsmuster nach einer Schädigung des Gehirns identifiziert werden. Dies könnte in Zukunft dazu beitragen, die Behandlung mit Medikamenten zu verbessern.
Fingerabdrücke: Einzigartige Muster der Haut
Jeder Fingerabdruck ist individuell, keiner gleicht dem anderen. Keine zwei Fingerabdrücke sind gleich. Das macht sie für die Polizei ebenso nützlich wie für die Entsperrung des eigenen Smartphones. Die Muster prägen sich bereits im Mutterleib aus und bleiben ein Leben lang unverändert.
Dieselbe Körpergröße, dieselbe Augenfarbe, dasselbe Erbgut: Eineiige Zwillinge sind auf den ersten Blick oft kaum auseinanderzuhalten. Doch selbst bei ihnen unterscheiden sich die Fingerabdrücke. Beim Menschen bilden sich die individuellen Muster beim Embryo bereits in der 13. Woche.
Bestimmte Gene beeinflussen die Ausprägung der Fingerabdrücke. Da nun aber nicht einmal eineiige Zwillinge den gleichen Fingerabdruck haben, müssen daneben auch andere Faktoren eine Rolle spielen.
Signale der Gene WNT und BMP wirken auf entgegengesetzte Weise: WNT scheint das Zellwachstum zu stimulieren, so dass in der äußeren Hautschicht Erhebungen entstehen, während BMP das Zellwachstum unterdrückt, was zur Ausbildung von Furchen führt.
Das von dem britischen Mathematiker Alan Turing entwickelte Konzept beschreibt, wie unterschiedliche, sich überlagernde chemische Aktivitäten zu komplexen Mustern führen, die in der Natur weit verbreitet sind und zum Beispiel die Streifen von Zebras oder die Flecken von Giraffen erklären.
Bei der Untersuchung des menschlichen Embryonalgewebes stellten Wissenschaftler fest, dass sich die primären Rillen des Fingerabdrucks in drei Zonen bilden: dem äußersten Ende der Fingerkuppe, dem Ballen in der Mitte der Fingerspitze und der Falte zwischen Fingerspitze und mittlerem Fingergelenk. Von diesen drei Stellen aus breiteten sich die Rillen wellenförmig über die Fingerkuppe aus. Große und symmetrische Fingerballen mit früher Rillenbildung neigten dazu, Wirbel zu bilden, während lange, asymmetrische Ballen eher Schleifen ausprägten.
Multimodale Zelltypklassifikation im Gehirn
Die Klassifizierung von Neuronen in Typen ist ein wichtiger Ansatz, um die Funktion des Gehirns zu verstehen. Zelltypen im Gehirn wurden auf der Grundlage ihrer funktionellen Reaktionen, ihrer Morphologie und ihrer Transkriptome definiert. Bisher haben solche Zelltypklassifikationen jedoch nur selten Daten über Modalitäten hinweg integriert. Darüber hinaus sind Zelltypen nicht statisch: Neuronen können ihre Funktion während des Alterns und bei Krankheiten verändern (oder sogar verlieren).
Um diese Probleme anzugehen, ist ein dynamisches, multimodales Zelltypkonzept erforderlich: Dynamisch, um Änderungen in der Zelltypfunktion zu erfassen, und multimodal, um Informationen aus verschiedenen Modalitäten für eine robuste Zelltypidentifikation zu nutzen.
Forscher schlagen vor, retinale Ganglienzellen (RGCs) der Maus auf der Grundlage abgestimmter funktioneller und genetischer Daten aus demselben Gewebe zu klassifizieren, die mit Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung und räumlicher Transkriptomik erzeugt wurden. Die zentrale Hypothese ist, dass transkriptomische RGC-Typen im Laufe der Zeit in ihrer Funktion variieren können, z.B. während des normalen Alterns oder einer fortschreitenden Erkrankung.
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