Forscher arbeiten unermüdlich daran, die Geheimnisse des Gehirns zu entschlüsseln, von der Kommunikation zwischen den Zellen bis hin zu den komplexen Funktionen der Hirnrinde. Durch innovative Kartierungen in 3D und detaillierte Zellatlanten eröffnen sich neue Perspektiven für das Verständnis von Krankheiten wie Parkinson und Alzheimer.
Die Kartierung des Gehirns: Ein Überblick
Bereits 1909 schuf der deutsche Neuroanatom und Psychiater Korbinian Brodmann eine Karte der Großhirnareale und identifizierte 52 Parzellen des menschlichen Gehirns. Seitdem haben Neurowissenschaftler immer wieder versucht, die Struktur der Hirnrinde zu analysieren. Die Anzahl der identifizierten Areale variierte dabei zwischen 50 und über 200. Diese Unterschiede rühren unter anderem daher, dass die Oberfläche des Gehirns recht einheitlich erscheint.
Matthew Glasser und David Van Essen von der Washington University in Saint-Louis betonten, dass "die Grenzen zwischen den Arealen zwar unsichtbar, aber extrem wichtig sind". Die Identifizierung dieser Grenzen ist jedoch eine Herausforderung.
Der Glasser-Atlas von 2016: Anatomie trifft Funktion
Glasser und sein Team verfolgten 2016 einen neuen Ansatz: Sie verknüpften die Anatomie und die Funktion der Hirnareale. Die Karte basiert auf Daten des "Human Connectome Project", in dem die Gehirne von 1.200 Männern und Frauen mithilfe der Magnetresonanztomografie untersucht wurden. Diese Daten kombinierten die Forscher mit funktionellen MRT-Hirnscans von 210 weiteren Teilnehmern, um die Aktivität verschiedener Hirnareale in Ruhe und bei verschiedenen Tätigkeiten zu erfassen.
Das Ergebnis war eine detaillierte Karte, die 180 verschiedene Areale in jeder Hirnhälfte identifiziert, darunter 97 neu identifizierte. Die Forscher stellten fest, dass die Areale in beiden Hirnhälften verblüffend symmetrisch sind, mit Ausnahme des Bereichs für die Sprachverarbeitung. Die Karte zeigte auch, dass Areale mit nur einer Funktion in der Minderheit sind, wie das neu definierte Areal 55b, das bei vorgelesenen oder erzählten Geschichten aktiv wird. In den meisten Fällen haben die Parzellen sowohl kognitive als auch sensorische Aufgaben.
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Herausforderungen und Grenzen der Hirnkartierung
Obwohl Lage und Form der Hirn-Parzellen bei allen Menschen sehr ähnlich sind, trotz individueller Unterschiede in den Hirnwindungen, bleibt zu klären, was die Daten beispielsweise über Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson aussagen. Bislang lässt sich anhand der bunten Schnittbilder vom Hirn nichts über Intelligenz, Verhalten oder psychische Erkrankungen eines Menschen ablesen. Auch Angaben über die Persönlichkeit oder das Handeln eines Menschen lassen sich anhand solcher Karten nicht treffen. Die Anatomie und die Funktion von Hirnarealen stimmen nicht immer überein.
Der Zellatlas des menschlichen Gehirns: Eine neue Dimension
Im Jahr 2023 erstellten mehrere Forscherteams zusammen den bislang umfangreichsten Zellatlas des menschlichen Gehirns und ermittelten unter anderem mehr als 3.000 Typen von Hirnzellen. Untersucht wurde auch, wie Nervenzellen im Gehirn in ihren Funktionen voneinander abweichen. Die insgesamt 21 Studien sind Teil der "Brain Initiative" der US-Gesundheitsbehörde NIH.
RNA-Sequenzen und Epigenetik
Eine Studie untersuchte beispielsweise, welche RNA-Folgen in den einzelnen Hirnzellen vorhanden waren. RNA (Ribonukleinsäure) dient unter anderem als Überträger der Information aus dem Erbgut, um Proteine herzustellen. Je nach den Aufgaben von Zellen gibt es unterschiedliche RNA-Sequenzen. Daraus leiteten die Forscher 3.313 verschiedene Typen von Zellen ab. Der Datensatz für diese Arbeit umfasste mehr als drei Millionen Gehirnzellen.
In zwei weiteren Studien wurde die Epigenetik einzelner Gehirnzellen untersucht. Epigenetische Mechanismen bestimmen, wie oft welches Gen in einer Zelle aus dem Erbgut abgerufen wird. Die Epigenetik wird auch von der Umwelt, von Ernährung und Alterung beeinflusst.
Ein frei zugänglicher Atlas für die Forschung
Aus diesen drei Studien zusammengenommen, ist ein Hirnzellenatlas entstanden, der einzelne Hirnzelltypen charakterisiert und sie einzelnen Gehirnregionen zuordnet. Dieser Atlas ist für alle Wissenschaftler frei zugänglich. "Dies ist wirklich der Beginn einer neuen Ära in der Hirnforschung, in der wir besser verstehen können, wie sich Gehirne entwickeln, wie sie altern und von Krankheiten in Mitleidenschaft gezogen werden", sagte Joseph Ecker, Professor am Salk Institute for Biological Studies, der an mehreren der Studien beteiligt war.
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Weitere Beiträge zur Hirnforschung
Auch das "Human Brain Project", das 2013 in Lausanne gestartet und mit bis zu einer Milliarde Euro von der EU bezuschusst worden ist, lieferte einen Beitrag zur Hirnforschung. 2020 stellte das deutsche Forschungszentrum Jülich den ersten 3D-Atlas des menschlichen Gehirns vor, der die "Variabilität der Gehirnstruktur mit mikroskopischer Auflösung" abbildet. Über 24.000 hauchdünne Hirnschnitte seien dafür digitalisiert, in 3D zusammengesetzt und von Experten kartiert worden. Als Teil des "Human Brain Projects" diene der Atlas als "Interface", um Informationen über das Gehirn räumlich präzise zu verknüpfen. Das im Jahr 2023 ausgelaufene "Human Brain Project" geriet erst in die Kritik und zwischendurch ein wenig in Vergessenheit. In einer ersten Evaluation des "Human Brain Projects" lobte ein externes Gremium die Forscherinfrastruktur, die das Projekt geschaffen habe, und die auch Forschungsgebiete wie Künstliche Intelligenz einschließt.
Synaptische Kommunikation im Detail
Eine neue Studie aus Leipzig bringt nun Licht in ein besonders faszinierendes Detail: In der Großhirnrinde - also dort, wo Denken, Wahrnehmen und Entscheiden stattfinden - 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.
Zuverlässigkeit und Plastizität
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 Eigenschaften von Synaptotagmin 1 scheinen dazu beizutragen, dass die von uns untersuchten kortikalen Synapsen nicht nur zuverlässiger, sondern auch plastischer sind", sagt Studienleiter Hartmut Schmidt, das sei "eine Grundvoraussetzung dafür, dass sich das Gehirn innerhalb des Lebens an neue Anforderungen anpassen kann."
Implikationen für die Hirnforschung und Medizin
Die genaue Kenntnis dieser Faktoren im gesunden Gehirn legt die Basis dafür, gestörte Prozesse etwa bei Hirnerkrankungen zu erkennen und Therapieansätze zu entwickeln. Die Erkenntnis, dass kortikale Synapsen auch bei schwachen Signalen präzise arbeiten, ist tatsächlich ein wichtiger Mosaikstein für die Hirnforschung. Sie hilft, die feinen Unterschiede zwischen verschiedenen Hirnregionen zu begreifen - und schafft die Basis, um krankhafte Veränderungen (wie bei Alzheimer oder Epilepsie) frühzeitig zu erkennen. Nur wer versteht, wie gesunde Kommunikation zwischen Nervenzellen funktioniert, kann gezielt eingreifen, wenn sie gestört ist. Und auch in der Computerwissenschaft schaut man immer genauer aufs Gehirn: Neuronale Netzwerke in der KI sollen möglichst effizient und lernfähig sein.
Weitere Einblicke in die Gehirnfunktion
- Vergessen: Vergessen ist eine elementare Strategie des Gehirns.
- Erinnern und Vergessen: Unser Gedächtnis funktioniert wählerisch.
- Lebenslanges Lernen: Gut für’s Gehirn.
- Schlaf: Quallen schlafen wie Menschen: am liebsten acht Stunden und gern mit Siesta.
- Migräne: Der Körper warnt uns oft, wenn eine Migräneattacke ansteht.
- Glück: Der Neurowissenschaftler Kenichiro Mogi hat fünf Wege identifiziert, einen glücklichen Seinszustand zu erreichen.
- ADHS: Was macht ADHS-Gehirne so kreativ?
- Meditation: Welche Übungsform ist am effektivsten?
- Reisen: Unsere Lebenserinnerungen speisen sich zu einem guten Teil aus Reisen.
- Fokussierung: Um sich auf Wesentliches fokussieren zu können, muss das Gehirn ständig Informationen filtern.
- Umbau: Unser Gehirn baut sich ständig um.
- Zukunft: Menschen tendieren dazu, ihre Zukunft zu positiv einzuschätzen.
- Soziale Interaktionen: Stärken nicht nur das Wohlbefinden, sondern auch unser Gedächtnis.
- Trauma: Kann sich über Generationen vererben.
- Namen: Kaum werden Sie jemandem vorgestellt, schon ist der Name wieder vergessen?
- Schlaf: Falls Sie diese Zeilen mehrfach lesen müssen, war die letzte Nacht wohl nicht erholsam.
- Spielen: Fördert die Wahrnehmung, Logik, Flexibilität und das Gedächtnis.
- Kreativität: Wie entsteht Ideenreichtum? Und wie lässt er sich trainieren?
- Finanzen: Wir verstehen von Finanzen weniger als wir glauben.
- Rauchen: Mit dem Rauchen aufzuhören hat viele Vorteile für Körper und Geist.
- Ich: Wie kommt das Ich in den Kopf?
- Einsamkeit: Knapp die Hälfte der jungen Menschen in Deutschland fühlt sich einsam.
- Spiegelbild: Im Bad gefällt uns das eigene Spiegelbild, auf Bildern fremdeln wir mit uns.
- Zufall: Man denkt an jemanden, und genau dann ruft er an.
- Schlaganfall: Notfall erkennen.
- Psychopathie: Lässt sich Psychopathie im Gehirn erkennen?
- Denken: Denken Frauen anders als Männer?
- Realität: Woher weiß ich, was Realität ist?
- Intelligenz: Je zerstreuter, desto schlauer?
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