Das Forschungszentrum Jülich hat sich als eine der größten Forschungseinrichtungen Europas etabliert und widmet sich der Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen. Ein zentraler Schwerpunkt liegt dabei auf der Entschlüsselung des menschlichen Gehirns. Durch die Verbindung von Neurowissenschaften, Medizin und Technologie leistet Jülich Pionierarbeit, um die Funktionsweise des Gehirns besser zu verstehen, neurologische Erkrankungen zu behandeln und Erkenntnisse für die Entwicklung künstlicher Intelligenz zu gewinnen.
Die Faszination des Gehirns: Eine Ausstellung des Forschungszentrums Jülich
Vom 28. November bis 19. Dezember 2019 präsentierte das Forschungszentrum Jülich zusammen mit dem HBP-Konsortium die Ausstellung „Faszination Gehirn“ im Paul-Löbe-Haus in Berlin. Ziel der Ausstellung war es, die neuesten Erkenntnisse der Hirnforschung einem breiten Publikum zugänglich zu machen und die atemberaubende Komplexität des Gehirns in spektakulären wissenschaftlichen Bildern und Filmen zu veranschaulichen.
Die Exponate zeigten, wie rechenintensive Methoden auf Supercomputern zu neuen Erkenntnissen in den Neurowissenschaften führen und stellten aktuelle Entwicklungen in der Medizin, im Computing, der künstlichen Intelligenz und der Neurorobotik vor. Ethische Überlegungen und Analysen begleiteten das Projekt dabei von Beginn an.
Die Ausstellung gab Einblicke in den Aufbau der einzigartigen Forschungsinfrastruktur des Projekts, mit der eine Basis für dauerhafte Zusammenarbeit von Wissenschaftlern über alle Grenzen hinweg geschaffen wird. Die Partnerschaft von Hirnforschung und modernsten Informationstechnologien bereitet so den Weg, um die atemberaubende Komplexität des Gehirns zu entschlüsseln.
Neurowissenschaften in Jülich: Den Geheimnissen des Gehirns auf der Spur
Die Hirnforscher:innen in Jülich arbeiten daran, das Gehirn zu entschlüsseln. Sie wollen verstehen, wie unser Gehirn aufgebaut ist, wie es funktioniert. Und sie wollen neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer ihren Schrecken nehmen. Ihre Erkenntnisse fließen auch in die Entwicklung neuartiger Computertechnologien. Mit seinen 86 Milliarden Nervenzellen und einem Vielfachen an Synapsen, über die Informationen von Zelle zu Zelle wandern, ist das menschliche Gehirn unfassbar komplex. Wissenschaftler:innen aus Jülich sind seinen Geheimnissen auf der Spur. Beispielsweise wollen sie herausfinden, wie sich unser Denkorgan im Laufe des Lebens entwickelt und wie kognitive Prozesse im gesunden und im kranken Gehirn ablaufen. Dadurch erhoffen sie sich neue Möglichkeiten für die Behandlung von neurologischen Erkrankungen wie Parkinson oder der Alzheimer-Demenz.
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Der Julich Brain Atlas ist die bisher detaillierteste Karte des menschlichen Gehirns. Als eine Art „Google Maps“ bietet dieses einzigartige Werkzeug eine Fülle von Daten - und die Möglichkeit, die Jülicher Supercomputer für ihre Analyse zu nutzen. Damit ist der Atlas ein wesentlicher Baustein der digitalen Forschungsinfrastruktur EBRAINS, die Forschenden weltweit zugänglich ist.
Die Forscher:innen am Institut für Neurowissenschaften und Medizin stützen sich bei ihrer Arbeit auf die einzigartige Jülicher Forschungsinfrastruktur. Mit der Hilfe von Supercomputern erstellen sie aus Tausenden von mikroskopischen Aufnahmen „Landkarten“ der Nervenzellen und -fasern im Gehirn. In unseren leistungsstarken Magnetresonanztomographen entdecken die Wissenschaftler:innen, wo Gedanken entstehen. Künstliche Intelligenz unterstützt dabei, die Daten zu interpretieren Mit nuklearchemischen Methoden untersuchen sie das Gehirn auf molekularer Ebene, um beispielsweise die Steuerung des Schlaf-Wach-Rhythmus zu entschlüsseln oder herauszufinden, wo Koffein wirkt. In enger Kooperation mit Universitätskliniken wie Aachen, Köln und Düsseldorf entwickeln die Wissenschaftler:innen zudem gängige Untersuchungsmethoden weiter.
Der Julich Brain Atlas: Eine detaillierte Karte des menschlichen Gehirns
Der Julich Brain Atlas ist ein herausragendes Projekt des Forschungszentrums Jülich und stellt die bisher detaillierteste Karte des menschlichen Gehirns dar. Er dient als eine Art "Google Maps" des Gehirns und bietet Forschern weltweit eine Fülle von Daten und die Möglichkeit, diese mit Hilfe der Jülicher Supercomputer zu analysieren. Der Atlas ist ein wesentlicher Baustein der digitalen Forschungsinfrastruktur EBRAINS und ermöglicht es, die Struktur und Funktion des Gehirns in nie dagewesener Detailtiefe zu erforschen.
Der Atlas basiert auf Tausenden von mikroskopischen Aufnahmen des Gehirns, die mit Hilfe von Supercomputern zu dreidimensionalen "Landkarten" der Nervenzellen und -fasern zusammengefügt werden. Diese Karten ermöglichen es, die verschiedenen Hirnregionen und ihre Verbindungen genau zu lokalisieren und zu untersuchen. Der Julich Brain Atlas ist ein wertvolles Werkzeug für die neurowissenschaftliche Forschung und trägt dazu bei, die komplexen Prozesse im Gehirn besser zu verstehen.
24.000 hauchdünne Hirnschnitte gingen in Julich Brain ein, den ersten 3D-Atlas des menschlichen Gehirns. Er bildet die Struktur von bislang 227 Hirnregionen mit mikroskopischer Genauigkeit ab.
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Einblick ins menschliche Gehirn: Der BrainPET-7T-Tomograf
Forschende vom Forschungszentrum Jülich aus Helmholtz Information haben eine wegweisende Technologie für die Bildgebung am Menschen weiterentwickelt, mit der Forschende gleichzeitig die Struktur und Funktion des menschlichen Gehirns präziser als bisher möglich erfassen können.
Möglich macht es der BrainPET-7T-Tomograf: Er kombiniert die Magnetresonanztomografie (MRT) mit der Positronen-Emissions-Tomografie (PET), wodurch in einem einzigen Scan hochauflösende Bilder von Struktur, Funktion und Stoffwechsel des Gehirns bei einer Magnetfeldstärke von 7 Tesla erstellt werden können - ein bedeutender Schritt für die frühzeitige Diagnose und Therapie neurologischer Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson. Die ersten Tests mit Probanden sind für dieses Jahr vorgesehen. Dabei wird die Technologie erstmals im praktischen Einsatz getestet und ihr Mehrwert für die neurowissenschaftliche Forschung und klinische Anwendungen bewertet.
Erste Tests belegen die hohe Präzision des BrainPET-7T-Tomografen: Das System erreicht eine hohe räumliche Auflösung von etwa 1,6 Millimetern. Damit lassen sich dreidimensionale Bilder des Gehirns mit 3,5 Millionen Bildelementen darstellen - ein deutlicher Fortschritt gegenüber älteren Systemen mit bisher nur 500.000 Bildelemente. Außerdem zeichnet sich der BrainPET-7T-Tomograf durch eine überdurchschnittliche Empfindlichkeit aus: Er erfasst im Zentrum des Bildes mehr als 11 Prozent der von den Tracern abgegebenen Gamma-Strahlen, wodurch besonders präzise Bilder entstehen können. Diese Tracer sind leicht radioaktiv markierte Substanzen, die gezielt Stoffwechselaktivitäten im Gehirn sichtbar machen. Entscheidend für diese Detailgenauigkeit ist die hohe Magnetfeldstärke von 7 Tesla. Zum Vergleich: Standard-MRTs in Kliniken arbeiten mit 1,5 oder 3 Tesla.
Diese Kombination aus Schärfe und Empfindlichkeit liefert detailreiche Bilder und präzise Daten, die wichtige Erkenntnisse über die Funktionsweise des Gehirns ermöglichen. Zusammen mit dem Siemens Magnetom Terra 7T-MRT-Scanner setzt das System neue Maßstäbe in der PET/MRT-Bildgebung. Durch die simultane und genaue Aufnahme von MRT- und PET-Daten werden mehrere Untersuchungen überflüssig, die für Patient:innen mühsam und anstrengend sein können.
„Mit dem BrainPET-7T-Tomograf betreten wir eine neue Ära der Bildgebungstechnologie, die sowohl die Hirnforschung als auch klinische Anwendungen revolutionieren könnte“, erklärt Prof. Bereits 2009 galt ein MR-PET-System mit 9,4 Tesla als vielversprechende Technologie für hochauflösende Hirnscans. Jedoch verfügte der damalige PET-Tomograf über eine limitiertere Bildqualität und es konnten nicht alle Hürden für eine regelmäßige Anwendung in der Forschung überwunden werden. Mit dem neuen 7T-BrainPET-Tomograf ist nun dieser entscheidende Schritt gelungen. In diesem Jahr sollen erstmals Scans mit menschlichen Probanden durchgeführt werden.
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Dieses Projekt ist das Ergebnis einer institutsübergreifenden Zusammenarbeit, die von mehreren Instituten des Forschungszentrums Jülich vorangetrieben wird: dem Institut für Neurowissenschaften und Medizin - Medizinische Bildgebung (INM-4), dem ehemaligen Zentralinstitut für Ingenieurwissenschaften, Elektronik und Analytik - Ingenieurwissenschaften und Technologie (ZEA-1), das inzwischen ins Institute of Technology and Engineering (ITE) übergegangen ist, sowie das ehemalige ZEA - Elektronische Systeme(ZEA-2), heute im Peter Grünberg Institut - Integrated Computing Architectures (PGI-4 / ICA) angesiedelt. Es wird auch von anderen Partnern unterstützt, wie dem Lehrstuhl für Bildgebung und Bildverarbeitung, ehemals Teil des Instituts für Experimentelle Molekulare Bildgebung der RWTH Aachen, die RWTH Ausgründung Hyperion Hybrid Imaging Systems GmbH, die Jülicher Ausgründung Affinity Imaging GmbH, Monash University (Australien) und Inviscan SAS (Frankreich).
Globale Vernetzung: Das Human Brain Project und EBRAINS
Ein Meilenstein der Hirnforschung war das Human Brain Project, an dem unser Forschungszentrum federführend beteiligt war. Das im Herbst 2023 abgeschlossene Vorhaben hat die Instrumente der Hirnforscher:innen weltweit um eine einzigartige Plattform bereichert: EBRAINS macht die bislang größte Datenbasis zum menschlichen Gehirn frei verfügbar und verknüpft sie mit den Möglichkeiten des Supercomputings - etwa für Simulationen und KI-basierte Analysen. Herzstück ist der Julich-Brain Atlas: Der in Jülich entstandene, extrem hochauflösende 3D-Atlas zeigt den anatomischen Aufbau und die Funktionsareale des Gehirns in nie dagewesener Detailtiefe. Patient:innen in 30 europäischen Kliniken profitieren schon heute von der riesigen Datensammlung zu neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie, Demenz oder Hirntraumata.
Das Human Brain Project (HBP) hat Pionierarbeit in der digitalen Hirnforschung geleistet und mit einem einzigartigen interdisziplinären Ansatz Neurowissenschaften und Technologie in großem Maßstab miteinander verbunden“, sagt Katrin Amunts, Direktorin des HBP und des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin am Forschungszentrum Jülich.
Am 12. September 2023 feierte das von der EU geförderte Human Brain Project (HBP) seinen erfolgreichen Abschluss. Als europäisches Future and Emerging Technologies (FET)-Flagship mit 155 kooperierenden Institutionen aus 19 Ländern und einem Gesamtbudget von 607 Mio. Euro war das HBP eines der größten Forschungsprojekte in Europa. HBP-Forscher haben hochentwickelte Methoden aus dem High-Performance Computing und der künstlichen Intelligenz in einem hochintegrativen Ansatz eingesetzt, um das Gehirn als ein Mehrebenensystem zu verstehen. Das Projekt hat zu einem tieferen Verständnis der komplexen Struktur und Funktion des Gehirns beigetragen und neue Anwendungen in der Medizin und technologische Fortschritte ermöglicht.
Forschende des HBP haben zahlreiche wissenschaftliche Resultate erzielt, die in über 3000 Veröffentlichungen publiziert sind, medizinische und technische Anwendungen vorangetrieben und über 160 frei zugängliche digitale Werkzeuge für die neurowissenschaftliche Forschung entwickelt.
Zu den wichtigsten wissenschaftlichen Erfolgen des Projekts gehören ein dreidimensionaler digitaler Atlas des menschlichen Gehirns mit noch nie dagewesener Detailgenauigkeit, die prädiktive Computermodellierung von Patientengehirnen bei Epilepsie und Parkinson für die personalisierte Medizin, neue Durchbrüche auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz, die unter anderem von einem Spin-off-Unternehmen in Deutschland kommerzialisiert werden, und eine digitale Forschungsinfrastruktur - EBRAINS -, die auch nach dem Ende des HBP eine unschätzbare Ressource für die gesamte neurowissenschaftliche Gemeinschaft sein wird.
412 Institutionen aus aller Welt nutzen die digitale Forschungsplattform EBRAINS, die neben umfangreichen Datensätzen auch computergestützte Simulationen und Analysemethoden bereithält.
Rechnen wie das Gehirn: Synergien zwischen Neurowissenschaften und Informationstechnologie
Die Erforschung des menschlichen Gehirns tritt mit den digitalen Möglichkeiten in eine neue Phase. Denn die immense Rechenpower der Supercomputer macht die Verarbeitung von immer größeren Datenmengen möglich. Umgekehrt profitiert auch die Informationstechnologie von den Durchbrüchen in den Neurowissenschaften. Bei der Entwicklung neuartiger Computerchips oder dem maschinellen Lernen nehmen sich die Forscher:innen das Gehirn zum Vorbild. Dessen Energieeffizienz ist nämlich unerreicht. Es löst selbst komplexe Denkaufgaben mit einem Bruchteil der Energie, die Supercomputer benötigen.
Jülich als Arbeitgeber: Forschung für eine Gesellschaft im Wandel
Das Forschungszentrum Jülich versteht sich als ein Ort der Forschung für eine Gesellschaft im Wandel. Als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft stellt es sich den großen Herausforderungen unserer Zeit und bietet seinen Mitarbeiter:innen ein internationales und interdisziplinäres Arbeitsumfeld auf einem attraktiven Forschungscampus sowie spannende und abwechslungsreiche Aufgaben.
Mit seiner familienbewussten Unternehmenspolitik unterstützt das Forschungszentrum alle Mitarbeiter:innen dabei, Beruf und Sorgearbeit in Einklang zu bringen. Mitarbeiter:innen und ihre Familien, die aus dem Ausland zu uns kommen, werden mit gezielten Serviceangeboten wie z.B. dem International Advisory Service unterstützt.
Das Forschungszentrum Jülich legt großen Wert auf Kollegialität, wertschätzenden Umgang miteinander, verantwortungsbewusste Führung, Verlässlichkeit und die Bereitschaft, stetig voneinander zu lernen.
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