Google und Harvard enthüllen detaillierteste Karte des menschlichen Gehirns

Vor einem Jahrzehnt erhielt Dr. Jeff Lichtman, Professor für Molekular- und Zellbiologie an der Harvard University, eine kleine Gehirnprobe in seinem Labor. Trotz ihrer geringen Größe von nur einem Kubikmillimeter enthielt diese Probe genug Gewebe, um 57.000 Zellen, 230 Millimeter Blutgefäße und 150 Millionen Synapsen zu beherbergen. “Es war kleiner als ein Reiskorn, doch als wir es zu schneiden und zu untersuchen begannen, war es wirklich faszinierend”, erklärte er. “Aber mit der Datensammlung wurde deutlich, dass wir weit mehr hatten, als wir verarbeiten konnten.” Letztendlich sammelten Lichtman und sein Team 1.400 Terabyte an Daten aus der Probe, was ungefähr dem Inhalt von über einer Milliarde Büchern entspricht. Nach jahrzehntelanger enger Zusammenarbeit des Laborteams mit Google-Wissenschaftlern sind diese Daten nun in die bisher detaillierteste Karte einer menschlichen Gehirnprobe umgewandelt worden.

Die Gehirnprobe kam von einem Patienten mit schwerer Epilepsie. “Es ist ein Standardverfahren”, erklärte Lichtman, “einen kleinen Teil des Gehirns zu entfernen, um die Anfälle zu stoppen, und das Gewebe anschließend zu prüfen, ob es normal ist.” Er fügte hinzu: “Es war anonymisiert, daher wusste ich kaum etwas über den Patienten, außer Alter und Geschlecht.”

Zur Analyse der Probe schnitt Lichtmans Team sie zuerst mit einem Diamantklingenmesser in dünne Abschnitte. Diese wurden in hartes Harz eingebettet und dann in noch dünnere Scheiben geschnitten. “Ungefähr 30 Nanometer dick, etwa ein Tausendstel eines menschlichen Haares. Ohne Färbung mit Schwermetallen, die sie in der Elektronenmikroskopie sichtbar machen, wären sie praktisch unsichtbar”, erläuterte er.

Schließlich hatten sie tausende dieser Scheiben, die auf spezielles Klebeband aufgebracht wurden, was einen Filmstreifen ergab. “Indem man von jedem Abschnitt ein Bild macht und diese Bilder ausrichtet, bekommt man ein dreidimensionales Bild des Gehirns auf mikroskopischer Ebene.”

Dann wurde den Forschern bewusst, dass sie Unterstützung bei der Datenverarbeitung benötigen würden, da die Bilder viel Speicherplatz beanspruchten.

Lichtman war sich bewusst, dass Google an einer digitalen Gehirnkarte einer Fruchtfliege arbeitete, die 2019 veröffentlicht wurde, und hatte die passende Computerhardware für diese Aufgabe. Er nahm Kontakt zu Viren Jain auf, einem führenden Forschungswissenschaftler bei Google, der am Fruchtfliegenprojekt beteiligt war.

“Es gab 300 Millionen separate Bilder in den Daten von Harvard”, erklärte Jain. “Die enorme Datenmenge resultiert daraus, dass die Bilder mit sehr hoher Auflösung aufgenommen wurden, auf der Ebene einzelner Synapsen. In dieser kleinen Gewebeprobe des Gehirns fanden sich 150 Millionen Synapsen.”

Um die Bilder zu analysieren, setzten Googles Wissenschaftler KI-basierte Verarbeitungs- und Analysemethoden ein, um die Zelltypen in jedem Bild zu identifizieren und ihre Verbindungen untereinander zu erkennen. Das Ergebnis war ein interaktives 3D-Modell des Hirngewebes, der umfangreichste Datensatz, der jemals mit dieser Auflösung einer menschlichen Gehirnstruktur erstellt wurde. Google machte ihn als “Neuroglancer” online zugänglich, während gleichzeitig eine Studie in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, mit Lichtman und Jain als Co-Autoren.

Das Gehirn verstehen

Die Kooperation zwischen den Teams von Harvard und Google resultierte in farbigen Bildern, die einzelne Komponenten besser hervorheben und dennoch eine authentische Darstellung des Gewebes bieten.

“Die Farbwahl ist völlig willkürlich”, erläuterte Jain, “jedoch gibt es darüber hinaus kaum künstlerischen Spielraum. Es geht darum, dass wir nichts erfinden – dies sind die tatsächlichen Neuronen und Verbindungen, die in diesem Gehirn existieren. Wir erleichtern Biologen lediglich, diese zu sehen und zu erforschen.”

Die Daten offenbarten einige Überraschungen. So bildeten Neuronenpaare beispielsweise nicht nur eine einzelne Verbindung, sondern mehr als 50. “Es ist, als hätten zwei Häuser in einer Straße 50 separate Telefonleitungen, die sie verbinden. Was steckt dahinter? Warum besteht eine derart intensive Verbindung? Die Funktion oder Bedeutung dieses Phänomens ist uns noch unbekannt, und wir müssen es weiter erforschen”, fügte er hinzu.

Letztendlich könnte die Beobachtung des Gehirns auf dieser Ebene der Detailgenauigkeit Forschern dabei helfen, ungelöste Krankheiten zu verstehen, so Lichtman.

“Was bedeutet es, das menschliche Gehirn zu verstehen? Das Beste, was wir tun können, ist, es zu beschreiben und zu hoffen, dass wir aus diesen Beschreibungen Erkenntnisse gewinnen, zum Beispiel über die Unterschiede zwischen normalen und gestörten Gehirnen bei psychiatrischen Erkrankungen oder Entwicklungsstörungen wie dem Autismus-Spektrum. Solche Vergleiche werden sehr wertvoll sein”, sagte er. “Sie werden uns irgendwann Einblicke geben, was falsch läuft, worüber wir in den meisten Fällen noch im Dunkeln sind.”

Lichtman ist auch der Meinung, dass der Datensatz mit anderen erstaunlichen Details gefüllt sein könnte, die aufgrund seiner Größe noch nicht entdeckt wurden: “Deshalb stellen wir ihn online zur Verfügung, damit jeder ihn untersuchen und neue Entdeckungen machen kann”, fügte er hinzu.

Bild: Google Research & Lichtman Lab/Harvard University