Die Maus hat sich als unentbehrliches Versuchstier in vielen bedeutenden und modernen biologischen Forschungsrichtungen etabliert. Insbesondere die experimentelle Virologie, Neurophysiologie und Verhaltensforschung nutzen diesen Nager intensiv. Für diese Forschungsbereiche ist eine genaue Kenntnis der Morphologie des Mausegehirns unerlässlich.
Bedeutung der Maus in der Forschung
Die Maus ist ein ideales Versuchstier für viele moderne biologische Forschungsrichtungen. In der experimentellen Virologie wird die Maus vor allem verwendet, um Virusstämme zu übertragen und zu typisieren. Einige Virusarten sind sogar durch ihre Affinität zum Mausegehirn charakterisiert. Auch die Neurophysiologie und die Verhaltensforschung bedienen sich gern dieses leicht und genetisch rein züchtbaren Tieres. Neuropharmaka werden häufig an Mäusen getestet.
Genetische Ähnlichkeit zum Menschen
Trotz ihrer geringen Größe und einigen Unterschieden in der Gehirnstruktur haben Mäuse und Menschen eine vergleichbare Gehirnanatomie und Physiologie. Insgesamt bieten Mäuse als Modellorganismen eine genetische Ähnlichkeit zum Menschen, die sie nahezu unverzichtbar in der Grundlagenforschung macht. Mit Hilfe von transgenen Mausmodellen werden zelluläre Funktionen und die Rolle von spezifischen Genen in speziellen Immunzellen des Gehirns unter physiologischen und pathologischen Bedingungen untersucht.
Untersuchung von Immunzellen im Gehirn
An der Universität Bielefeld widmen sich Forschende der Medizinischen Fakultät OWL unter anderem der Erforschung von speziellen Immunzellen von Gehirn und Rückenmark. Diese Zellen sind von besonderer Bedeutung, da sie während der Gehirnentwicklung, bei der normalen Funktion des erwachsenen Gehirns und bei Erkrankungen des Zentralnervensystems, wichtige Rollen spielen. Die Forschung an der Universität Bielefeld zielt darauf ab, die grundlegenden Funktionen dieser speziellen Immunzellen zu entschlüsseln und Faktoren zu identifizieren, welche diese Funktionen unter verschiedensten Bedingungen regulieren.
Die Untersuchung dieser Immunzellen direkt am Menschen ist schwierig, da sie sich im Gehirn befinden und daher nur schwer zugänglich sind. Zudem ist es nahezu unmöglich, diese Zellen zu verschiedenen Zeitpunkten im menschlichen Leben oder Krankheitsverlauf zu analysieren. Mäuse bieten den Vorteil, dass Zellen und deren Gene gezielt untersucht werden können und ihre Lebensspanne viel kürzer ist als die des Menschen. Dies macht es möglich, auch altersabhängige Prozesse zu untersuchen.
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Historischer Überblick und Forschungsbedarf
Da die genannten Forschungszweige zum Teil erst in letzter Zeit einen besonderen Aufschwung genommen haben, ist es verständlich, dass nur relativ wenige Arbeiten über die Morphologie des Mausegehirns vorliegen. Teils liegen diese Publikationen schon lange zurück, wie die ausgezeichnete, minutiös durchgeführte Bearbeitung der Cytoarchitektonik der Großhirnrinde der Maus durch ROSE (1930), teils befassen sie sich nur mit eng begrenzten Regionen des Mausegehirns. Vor allem fehlte aber eine umfassende Darstellung der anatomischen Verhältnisse des Stammhirns der Maus.
Notwendigkeit einer umfassenden Darstellung
Eine umfassende Darstellung der anatomischen Verhältnisse des Stammhirns der Maus ist von eminenter Wichtigkeit, um spontan aufgetretene oder experimentell gesetzte Läsionen genau lokalisieren zu können. Immer wieder stößt man in der Literatur diesbezüglich auf unzutreffende und einander widersprechende Angaben. Es bestand somit ein echtes Bedürfnis nach einer zusammenfassenden Darstellung der Topographie, Cytoarchitektonik und Cytologie des Hirnstammes der Maus.
Makroskopische Anatomie des Mausehirns
Das Gehirn der Maus, makroskopisch, zeigt die typische Struktur eines Säugetiergehirns. Es besteht aus dem Großhirn (Cerebrum), dem Kleinhirn (Cerebellum) und dem Hirnstamm.
Großhirn (Cerebrum)
Die Rinde des Großhirns - der Cortex cerebri - bedeckt fast das gesamte von außen sichtbare Gehirn. Sie ist stark gefaltet und durchzogen von zahlreichen Furchen, wodurch voneinander abgrenzbare Bereiche entstehen. Jede Großhirnhälfte (Hemisphäre) gliedert sich in vier von außen sichtbaren Lappen, die Lobi: den Stirnlappen (Frontallappen), Scheitellappen (Parietallappen), Schläfenlappen (Temporallappen) und Hinterhauptslappen (Okzipitallappen). Hinzu kommt der Insellappen (Lobus insularis), der tief in der seitlichen Großhirnfurche verborgen liegt und von außen nicht sichtbar ist. Etwa 90 Prozent des Cortex bestehen aus dem evolutionär jungen Neocortex, der durchgehend aus sechs Zellschichten aufgebaut ist. Das Großhirn mit seinen beiden Hemisphären und dem sie verbindenden Balken (Corpus callosum ist der entwicklungsgeschichtlich jüngste und größte Teil des Gehirns. Es macht etwa 85 Prozent der gesamten Gehirnmasse aus. Zieht man das innen Großhirnmark - vor allem bestehend aus Nervenfasern und den darin eingebetteten Basalganglien (Nuclei basales) - ab, bleibt die Großhirnrinde, eine zwei bis fünf Millimeter dicke Schicht, die als graue Substanz bezeichnet wird. Sie ist reich an Nervenzellkörpern, die ihr eine rotbraune bis graue Farbe verleihen.
Schätzungen gehen von etwa 17 Milliarden Nervenzellen (Neuronen) in der menschlichen Großhirnrinde aus; Individuelle Unterschiede zwischen Frauen und Männern hängen vor allem mit der im Durchschnitt größeren Gehirn- und Körpergröße von Männern zusammen - sie erlauben keinesfalls Rückschlüsse auf geistige Fähigkeiten. Und um die geht es: Im Cortex entsteht aus den Signalen der Sinnesorgane und vorgeschalteter Hirnregionen ein zusammenhängender Eindruck der Umwelt. Zudem kann er Informationen speichern und bildet damit die biologische Grundlage unseres Gedächtnisses.
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Die typische Struktur des Cortex hat sich in der Stammesgeschichte der Säugetiere langsam zu seiner heutigen Form entwickelt. Zunächst entstand der für Geruchswahrnehmung zuständige Teil - er heißt daher Paleocortex, also alter Cortex. Ebenfalls sehr früh entstand der so genannte Archicortex, der oft zum limbischen System gezählt wird. Beim Menschen umfasst er Hirnrindenteile, die für emotionale Reaktionen zuständig sind, das Verhalten für Arterhaltung und Fortpflanzung. Dazu kommt der Hippocampus, der für das Gedächtnis und räumliche Orientierung von zentraler Bedeutung ist. Diese „alten“ Areale machen jedoch nur etwa ein Zehntel der Großhirnrinde aus. Die übrigen 90 Prozent bilden den Neocortex.
Mit der zunehmenden Entwicklung und Verfeinerung der Sinne bei den Säugetieren - dazu gehören nicht nur Auge, Ohr und Geschmacksorgane, sondern auch die Sinnesrezeptoren in Haut, Schleimhaut und Muskulatur sowie die Netzhaut und das Innenohr mit Hör- und Gleichgewichtssystem - wurde auch der Neocortex immer komplexer. Er umfasst neben motorischen Feldern zur Steuerung gezielter Bewegungen vor allem große Anteile des sogenannten Assoziationscortex. Im Assoziationscortex werden Informationen aus den vielen Sinnessystemen zu einem umfassenden Bild der Welt zusammengefügt, hier werden auch unsere Aufmerksamkeit und Aktivität geregelt. Dabei verarbeitet der Assoziationscortex nicht nur Sinneseindrücke, die von außen ins Gehirn gelangen, sondern bezieht auch innere Prozesse mit ein - etwa Erinnerungen, Erwartungen oder Gedanken. Auf diese Weise entsteht ein inneres Weltmodell, das unsere Wahrnehmung lenkt und es uns ermöglicht, die Außenwelt im Licht unserer Erfahrungen und Ziele zu interpretieren.
Die Rinde konnte dabei nicht beliebig wachsen, denn das Schädelvolumen ist begrenzt. Stattdessen legte sie Falten: Windungen (Gyri) und Furchen (Sulci bzw. Fissurae). Ähnlich wie beim zusammengeknüllten Geschirrtuch in einem Glas entsteht so viel Oberfläche auf kleinem Raum - ein Trick der Evolution, um trotz des begrenzten Schädelvolumens genug Platz für die vielfältigen Aufgaben des Cortex zu schaffen. Das Schädelvolumen seinerseits muss minimiert werden, da aufgrund der Weite der weiblichen Geburtswege nur ein beschränkter Raum zur Verfügung steht.
Unter dem Mikroskop zeigt der Neocortex einen typischen sechsschichtigen Aufbau. Je nach Region variiert die genaue Ausprägung dieser Schichten und ist charakteristisch für bestimmte Rindenfelder. Die älteren Teile des Cortex besitzen dagegen nicht sechs, sondern eine andere Anzahl von Schichten - meist drei bis fünf. Diese zelluläre Organisation bezeichnet man als Zytoarchitektonik. Für eine grobe Orientierung lassen sich die großen Furchen und Lappen heranziehen. Eine präzisere Gliederung geht jedoch auf die Arbeiten von Korbinian Brodmann sowie Cecile und Oskar Vogt zurück. Brodmann unterschied anhand der Feinheiten im zellulären Aufbau beim Menschen 52 Felder, die bis heute als Brodmann-Areale bekannt sind. Manche Darstellungen nennen andere Zahlen, da einzelne Felder anfangs nicht eindeutig abgegrenzt waren. In der modernen Forschung wurden Brodmanns Felder zudem weiter differenziert oder zusammengefasst. Obwohl Brodmann seine Areale ausschließlich nach dem zellulären Aufbau beschrieb, lassen sich vielen von ihnen bestimmte Funktionen zuordnen. Lange Zeit galt dies als Beispiel für das Prinzip „form follows function“ - die Form bestimmt die Funktion. Heute wird jedoch diskutiert, ob es nicht auch umgekehrt sein könnte: dass funktionelle Netzwerke die Struktur prägen.
Ob wir etwas hören, sehen oder auf andere Art bewusst wahrnehmen: Die Signale aus den verschiedenen Sinnesorganen landen im Cortex. Doch wie genau funktioniert das? Eingehende Signale werden von Nervenzellen im Thalamus umgeschaltet und an entsprechende Rindenregionen weitergeleitet. Im Falle des Sehens etwa wird die primäre Sehrinde im Okzipitallappen aktiv. Sie verarbeitet die visuellen Signale und leitet sie an Rindenregionen weiter, die komplexe Leistungen wie die Wiedererkennung von Gegenständen oder Gesichtern ermöglichen. Primäre somatosensorische Felder im Scheitellappen nehmen die Sinnesinformation über Berührung, Vibration, Druck, Dehnung oder Schmerz auf, verarbeiten sie und leiten sie an „höhere“ Rindenfelder weiter, wo dann zum Beispiel aus der Berührung eines Gegenstandes eine Vorstellung über dessen Form entsteht. Analoges gilt für das Hören: Aus der Wahrnehmung unterschiedlicher Schallfrequenzen in der primären Hörrinde im Schläfenlappen kann die Wahrnehmung einer Melodie oder Sprache in „höheren“ Rindenfeldern entstehen.
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Wie die sensorischen Zentren für Sinneseindrücke zuständig sind, gibt es für die Steuerung von Bewegungen die motorischen Zentren. Dort lassen sich bestimmten Körperteilen, sogar einzelnen Muskelgruppen und Bewegungen, Areale zuordnen - etwa der rechten Hand ein Bereich im linken Frontallappen.
Aus den vielfältigen Funktionen der Großhirnrinde ergeben sich die möglichen Folgen örtlicher Verletzungen und Ausfälle. Ist das primäre Sehzentrum betroffen, besteht Blindheit trotz funktionierender Augen; fallen bestimmte „höhere“ Rindenfelder aus, sieht der Mensch zwar, erkennt aber je nach Lokalisation der Störung nicht Gesichter, Farben oder Bewegungen. Bei einer Schädigung des hinteren Drittels der unteren Windung im Frontallappen, dem Broca-Zentrum, wird die Fähigkeit zu sprechen geschädigt. Und Läsionen im vorderen Teil des Frontallappens führen zu Persönlichkeitsveränderung und Verminderung der intellektuellen Fähigkeiten.
Den einzelnen Funktionen lassen sich also Areale des Cortex zuordnen - die allerdings niemals losgelöst und allein für sich aktiv werden, sondern in komplexer Weise mit anderen Arealen und anderen Teilen des Gehirns verschaltet sind. Neuere Studien zeigen etwa eine verblüffende Interaktion aus Feedforward und Feedback zwischen dem visuellen Thalamus und unterschiedlichen Schichten des primären visuellen Cortex. Diese Interaktion ist so detailliert, dass man im Grunde beide als ein System betrachten muss.
Ob es also darum geht, einen Text wie diesen zu entziffern und zu verstehen, oder um andere höhere mentale Funktionen: Zuständig ist der Cortex, die äußerste Schicht unserer zwei Großhirnhälften. Hier werden Sinneseindrücke verarbeitet, Informationen gespeichert, hier denken wir nach und entwickeln Pläne, hier steuert unser Gehirn Handlungen wie Gehen, Sprechen oder Schreiben, hier entsteht unser Bewusstsein.
Kleinhirn (Cerebellum)
Das Kleinhirn ist für die Koordination von Bewegungen und das Gleichgewicht zuständig.
Hirnstamm
Der Hirnstamm verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark und steuert lebenswichtige Funktionen wie Atmung und Herzschlag. Er besteht aus dem Mittelhirn (Mesencephalon), der Brücke (Pons) und dem verlängerten Mark (Medulla oblongata).
Architektonik des Hirnstammes
Die Architektonik des Hirnstammes in Frontalschnitten zeigt eine komplexe Anordnung von Kernen und Faserbahnen.
Faserverbindungen des Hirnstammes
Die Faserverbindungen des Hirnstammes sind vielfältig und verbinden verschiedene Hirnregionen miteinander.
Kerne des Hirnstammes
Die Kerne des Hirnstammes sind Ansammlungen von Nervenzellen, die spezifische Funktionen ausüben.
Diencephalon
Das Diencephalon umfasst Strukturen wie den Thalamus und den Hypothalamus. Der Thalamus galt lange als eine Hirnregion, die vor allem für die Verarbeitung von Sinnesreizen verantwortlich ist. Durch aktuelle Studien mehren sich die Belege, dass er eine zentrale Weiche darstellt bei kognitiven Prozessen.
Mesencephalon
Das Mesencephalon ist Teil des Hirnstamms und spielt eine Rolle bei der Steuerung von Augenbewegungen und der Verarbeitung von akustischen Signalen.
Rhombencephalon
Das Rhombencephalon umfasst die Brücke (Pons) und das verlängerte Mark (Medulla oblongata) und ist für lebenswichtige Funktionen zuständig.
Zellatlas des motorischen Kortex
Hunderte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit untersuchen die Eigenschaften verschiedener Neuronentypen im motorischen Kortex der Gehirne von Mäusen, Affen und Menschen. Dem BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), einer internationalen Forschungskollaboration, an der auch Forscher der Universität Tübingen beteiligt sind, ist jetzt ein Durchbruch gelungen: Sie haben einen Zellatlas erstellt, der einen einzigartigen Überblick über die verschiedenen Neuronentypen und ihre jeweiligen Eigenschaften im motorischen Kortex liefert, der Hirnregion, die unsere Bewegungsabläufe steuert ‒ und zwar im Gehirn von Mäusen, Affen und Menschen.
Methoden zur Erstellung des Zellatlas
Mithilfe neuer experimenteller Techniken und Datenanalyseverfahren ist es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern jetzt gelungen, genetische Informationen über mehr als eine Million Zellen zu sammeln. Sie erfassten für einen Teil der Zellen ihre räumliche Lage, Form und elektrischen Eigenschaften und ermittelten ihre Verbindungen zu weiteren Neuronen in anderen Gehirnbereichen. Da die Forschenden die Zellen von Mäusen, Weißbüschellaffen und Menschen analysierten, konnten sie sogar die evolutionäre Entwicklung der verschiedenen Nervenzelltypen nachzeichnen.
Erkenntnisse aus dem Zellatlas
Die Forschenden die drei grundlegenden Eigenschaften bei über 1000 Zellen gleichzeitig messen konnten, ermöglichte ihnen ein tiefes Verständnis dafür, wie die Neuronen im motorischen Kortex miteinander in Beziehung stehen. Mit Verfahren aus dem maschinellen Lernen führten sie die anatomischen, physiologischen und genetischen Informationen zusammen und entdeckten so Beziehungen zwischen den Neuronen, die zuvor nicht bekannt waren.
Bedeutung von Genen und äußeren Faktoren für den Aufbau des Gehirns
Ziel unserer Forschung ist es herauszufinden, wie verschiedene Gene den Aufbau und funktionelle Eigenschaften einzelner Zellen des Zentralnervensystems steuern und wie diese zusammenwirken. Dieser Aufbau ist die Grundlage für ein zuverlässig und fehlerfrei arbeitendes, hochkomplexes neuronales Netzwerk. Wir wissen heute, dass neben den Genen äußere Faktoren diesen Aufbau beeinflussen und dass Störungen im Aufbau zu neuropsychiatrischen Erscheinungen wie Autismus führen.
Rolle von Engrailed
Das in der Fruchtfliege Drosophila zunächst als »Krüppel« bezeichnete Gen Engrailed codiert für einen Transkriptionsfaktor und gehört zu den Segment-Polaritätsgenen. Fehlen diese Gene, werden bei der Fruchtfliege vordere Flügelteile zu hinteren und Gehirnregionen in der Maus werden nur rudimentär voneinander abgegrenzt. Die Folge sind Fehlverschaltungen im Gehirn der Maus. Wir wissen heute, dass Engrailed auch das Überleben von Neuronen steuert und die Identität einzelner Zellen regelt.
Rolle von Merlin
Als Merlin wird ein Protein bezeichnet, das durch das Gen Neurofibromatose Typ 2 codiert wird. Mutationen in diesem Gen verursachen Tumore im peripheren Nervensystem, die nur schwer therapierbar sind. Merlin wird aber nicht nur peripher, sondern auch im Zentralnervensystem exprimiert. Im Kleinhirn steuert es das Fortsatzwachstum und kann somit die Kommunikation zwischen Neuronen modulieren.
Entzündungen und Gehirnentwicklung
Treten Entzündungen während der Schwangerschaft auf, kann auch der Fetus betroffen sein und zum Beispiel die Entwicklung des Gehirns beeinträchtigen. Sowohl für Engrailed als auch für Verdauungshormone sind pro- und anti-inflammatorische Wirkungen beschrieben.
Rolle von Darmhormonen
Hormone des Darms sind wichtige Signalmoleküle, die die Funktion einzelner Verdauungsorgane koordinieren. Im Gehirn modulieren sie die synaptische Kommunikation zwischen Nervenzellen. Wir wissen, dass diese Hormone bereits während der Entwicklung des Zentralnervensystems aktiv sind und es gibt Hinweise darauf, dass Mutationen in Hormonrezeptoren autistische Erscheinungen in Mäusen hervorrufen.
Hochauflösende Bildgebung des Mausegehirns
Informatives Farbenspiel: Dieses Bild zeigt die Strukturen und Verknüpfungen im Gehirn einer Maus in bisher beispielloser Auflösung - sie ist Millionen Mal höher als bei einer normalen Magnetresonanztomografie (MRT). Vor fast genau 50 Jahren wurde die Magnetresonanztomografie (MRT) erfunden. Bei dieser Methode der Durchleuchtung versetzen starke Magnetfelder Atome in den Körpergeweben und im Speziellen im Wasser in Schwingung. Die von diesen Vibrationen erzeugten Radiowellen werden vom MRT aufgezeichnet.
Neue MRT-Methoden
Die hier gezeigte Aufnahme eines Mäusegehirns stammt von einer neuen MRT-Methode, die eine weit höhere Auflösung ermöglicht. Allan Johnson von der Duke University und sein Team haben dafür einen speziellen Tomografen eingesetzt, der einen 9,4 Tesla starken Magneten und besonders leistungsfähige Magnetspulen nutzt. Jedes dreidimensionale Pixel in der Aufnahme ist nur rund fünf Mikrometer groß. Das ist Millionen Mal schärfer als gängige MRTs und 27.000 Mal schärfer als bei den besten in der Forschung eingesetzten Kernspintomografen.
Kombination von MRT und Lichtscheiben-Mikroskopie
Die resultierenden MRT-Bilder hatten aber noch immer nicht die Auflösung, die Mikroskope erreichen können. Deshalb untersuchten die Forschenden das Hirngewebe zusätzlich mit der Lichtscheiben-Mikroskopie (LSM), einer hochauflösenden und noch vergleichsweise jungen Methode der Mikroskopie. So konnten sie auch verschiedene Arten von Zellen unterscheiden - mit einer Auflösung von bis zu 1,8 Mikrometern. Diese Bilder verknüpften sie dann mit den MRT-Bildern. Das Ergebnis ist ein dreidimensionales Abbild der Nervenverbindungen einer Maus.
Konnektomforschung
Was geschieht im Gehirn, wenn wir sehen, hören, denken, uns erinnern? Damit Neurowissenschaftler diese Fragen beantworten können, benötigen sie Informationen darüber, wie die Millionen von Nervenzellen des Gehirns miteinander verknüpft sind. Einem Gesamtschaltplan des Gehirns der Maus, einem wichtigen Modellorganismus der Neurowissenschaften, sind Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg nun einen entscheidenden Schritt näher gekommen.
Serial Block-Face Rasterelektronenmikroskopie
Im Jahre 2004 entwickelten Wissenschaftler um Denk eine neue Methode, die genau dies ermöglicht: Die „serial block-face“-Rasterelektronenmikroskopie. Dafür muss das Gewebe fixiert, gefärbt, und in Kunststoff eingebettet werden. Das funktioniert für kleine Gewebestücke, war bisher aber bei Gewebe der Größe eines Mäusegehirns nicht möglich. In einer aktuellen Studie gelang es Shawn Mikula aus Denks Abteilung ein Mäusegehirn so zu präparieren, dass er es mit der „block-face“-Mikroskopie analysieren und den Axonen folgen konnte.
Bei der Rasterelektronenmikroskopie wird die Oberfläche eines Gewebeschnitts mit einem Elektronenstrahl abgetastet. Ein einzelnes elektronenmikroskopisches Bild entspricht also einem Querschnitt durch das Gewebe. Um ein dreidimensionales Bild eines Gewebes zu erhalten, wird dieses bei herkömmlichen Verfahren in feine Schnitte geschnitten, die dann einzeln mikroskopiert werden. Das ist nicht nur mühsam, sondern auch fehlerträchtig. Die „block-face“-Mikroskopie umgeht dieses Problem. Hier wird das Gewebestück als Ganzes im Mikroskop eingespannt und die Oberfläche abgetastet. Erst dann wird jeweils eine dünne Schicht abgeschnitten, um anschließend die darunterliegende Schicht abzutasten.
Mathematische Modelle des Gehirns
Forschende der Neurowissenschaften um Prof. Dr. Burkhard Pleger im Sonderforschungsbereich 874 der RUB und ein Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT, USA) beobachteten Lernprozesse in den Gehirnen von Mäusen und Menschen und bildeten diese in mathematischen Modellen nach. So konnten sie zeigen, dass die Region des mediodorsalen Nukleus im Thalamus entscheidenden Anteil an kognitiver Flexibilität hat.
Bedeutung des Thalamus für kognitive Prozesse
Charakteristisch für das mathematische Netzwerkmodell ist, dass die Region des mediodorsalen Nukleus im Thalamus in ständigem Austausch mit Regionen des präfrontalen Kortex steht. „Das belegt einmal mehr, wie groß die Bedeutung des Thalamus für kognitive Prozesse ist“, sagt Burkhard Pleger.
Zusammenhang zwischen Form und Funktion von Nervenzellen
Der Informatiker und Hirnforscher Prof. „Die Form folgt der Funktion“ - dieses Credo, das später dem Bauhaus-Stil als Grundsatz diente, prägte der Architekt Louis Sullivan zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Er hielt es für ein universelles Naturgesetz. „Ob dies allerdings auch für das Gehirn gilt, ist momentan nicht bekannt“, beschreibt Ecker den Hintergrund seiner Arbeit. „Es ist zum Beispiel noch nicht klar, wie genau die Form und die Funktion der Nervenzellen in der Großhirnrinde zusammenhängen.“
Methoden zur Analyse von Form und Funktion
Dank neuer wissenschaftlicher Methoden können sich Ecker und sein Team nun dieser Frage annehmen. Lange Zeit war es nur möglich, entweder die Form oder die funktionelle Aktivität einer Nervenzelle zu bestimmen, nicht aber beides gleichzeitig. Dieser Herausforderung will sich die Forschungsgruppe nun stellen.
Eine wichtige Rolle wird dabei den komplexen Verschaltungsmustern der Nervenzellen zugeschrieben. Da bei der Sinneswahrnehmung unter anderem sehr viele Reize verarbeitet und verschaltet werden, sind komplexe mathematische Beschreibungen notwendig, um diese zu beschreiben. Ein großer Datensatz soll helfen, die Form und Funktion der Nervenzellen zu analysieren: Das Team greift auf Daten einer vorangegangenen Kooperation im Rahmen der US Brain Initiative zurück, welche die Anatomie und Aktivität von etwa 100.000 Nervenzellen des visuellen Cortex einer Maus umfassen. Mithilfe der ERC-Förderung wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Verfahren des maschinellen Lernens entwickeln, um diese Nervenzellen mathematisch zu beschreiben, Muster in diesen Daten zu erkennen und ihre Form und Funktion miteinander in Bezug zu setzen.