Detaillierte Gehirnkartierung enthüllt neue Erkenntnisse über neuronale Netzwerke

MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Wissenschaftler haben einen bedeutenden Fortschritt in der Kartierung des Gehirns erzielt, indem sie das detaillierteste Schaltbild eines Säugetiergehirns erstellt haben. Diese bahnbrechende Arbeit könnte das Verständnis von Intelligenz und neurologischen Störungen revolutionieren.

Wissenschaftler haben das bisher detaillierteste Schaltbild eines Säugetiergehirns erstellt, indem sie jede Zelle und Synapse in einem Kubikmillimeter der visuellen Rinde einer Maus kartierten. Mithilfe modernster Mikroskopie, Künstlicher Intelligenz und 3D-Rekonstruktion erfassten Forscher über 200.000 Zellen und mehr als 500 Millionen Verbindungen. Diese Arbeit enthüllte überraschende Prinzipien der Gehirnorganisation, darunter neue inhibitorische Zellverhalten und eine netzwerkweite Koordination. Dieses Ergebnis bietet ein grundlegendes Werkzeug zum Verständnis der Gehirnfunktion, Intelligenz und neurologischer Störungen.

Der Maßstab der Detailgenauigkeit ist beeindruckend: Die Gehirnkarte umfasst über 200.000 Zellen, 4 km Axone und 523 Millionen Synapsen. Eine überraschende Entdeckung war, dass inhibitorische Neuronen selektiv die Aktivität koordinieren, anstatt sie nur zu dämpfen. Diese wissenschaftlichen Erkenntnisse bieten neue Einblicke in Gehirnerkrankungen und Modelle der Intelligenz.

Aus einem winzigen Gewebestück, nicht größer als ein Sandkorn, haben Wissenschaftler ein Ziel erreicht, das einst als unerreichbar galt: den vollständigen funktionalen Schaltplan eines Gehirnabschnitts zu erstellen. 1979 erklärte der berühmte Molekularbiologe Francis Crick, dass es „[unmöglich] sei, einen exakten Schaltplan für einen Kubikmillimeter Gehirngewebe und die Art und Weise, wie alle seine Neuronen feuern, zu erstellen.“ Doch in den letzten sieben Jahren hat ein globales Team von über 150 Neurowissenschaftlern und Forschern dieses Ziel näher an die Realität gebracht.

Das Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS) Projekt hat das detaillierteste Schaltbild eines Säugetiergehirns erstellt. Heute veröffentlichten Wissenschaftler die wissenschaftlichen Ergebnisse dieser umfangreichen Datenressource in einer Sammlung von zehn Studien in der Nature-Familie von Zeitschriften. Der Schaltplan und seine Daten, die über den MICrONS Explorer frei verfügbar sind, sind 1,6 Petabyte groß (entspricht 22 Jahren ununterbrochenem HD-Video) und bieten nie dagewesene Einblicke in die Gehirnfunktion und Organisation des visuellen Systems.

Die MICrONS-Fortschritte, die in dieser Sonderausgabe von Nature veröffentlicht wurden, sind ein Meilenstein für die Neurowissenschaften, vergleichbar mit dem Humangenomprojekt in ihrem transformativen Potenzial. IARPA’s Moonshot-Investition in das MICrONS-Programm hat frühere technologische Grenzen gesprengt und die erste Plattform geschaffen, um die Beziehung zwischen neuronaler Struktur und Funktion in den Maßstäben zu untersuchen, die notwendig sind, um Intelligenz zu verstehen.

Wissenschaftler am Baylor College of Medicine begannen mit der Verwendung spezieller Mikroskope, um die Gehirnaktivität eines Kubikmillimeters der visuellen Rinde einer Maus aufzuzeichnen, während das Tier verschiedene Filme und YouTube-Clips ansah. Anschließend nahmen Forscher des Allen Institute denselben Kubikmillimeter des Gehirns und schnitten ihn in mehr als 25.000 Schichten, jede 1/400 der Breite eines menschlichen Haares, und verwendeten eine Reihe von Elektronenmikroskopen, um hochauflösende Bilder jeder Schicht aufzunehmen.

Schließlich verwendete ein weiteres Team an der Princeton University Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen, um die Zellen und Verbindungen in ein 3D-Volumen zu rekonstruieren. In Kombination mit den Aufzeichnungen der Gehirnaktivität ist das Ergebnis das größte Schaltbild und die funktionale Karte des Gehirns bis heute, die mehr als 200.000 Zellen, vier Kilometer Axone (die Zweige, die zu anderen Zellen reichen) und 523 Millionen Synapsen (die Verbindungspunkte zwischen Zellen) enthält.

Die Ergebnisse der Studien enthüllen neue Zelltypen, Eigenschaften, organisatorische und funktionale Prinzipien sowie eine neue Klassifizierungsmethode für Zellen. Zu den überraschendsten Erkenntnissen gehörte die Entdeckung eines neuen Hemmungsprinzips im Gehirn. Wissenschaftler dachten zuvor, dass inhibitorische Zellen – diejenigen, die neuronale Aktivität unterdrücken – eine einfache Kraft sind, die die Aktion anderer Zellen dämpft. Forscher entdeckten jedoch ein weitaus ausgefeilteres Kommunikationsniveau: Inhibitorische Zellen sind nicht zufällig in ihren Aktionen; stattdessen sind sie hochselektiv, welche erregenden Zellen sie anvisieren, und schaffen ein netzwerkweites System der Koordination und Zusammenarbeit.

Das Verständnis der Form und Funktion des Gehirns und die Fähigkeit, die detaillierten Verbindungen zwischen Neuronen in einem beispiellosen Maßstab zu analysieren, eröffnet neue Möglichkeiten für das Studium des Gehirns und der Intelligenz. Es hat auch Auswirkungen auf Störungen wie Alzheimer, Parkinson, Autismus und Schizophrenie, die mit Störungen in der neuronalen Kommunikation verbunden sind.

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