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Einen Pfad durch das Gehirn schlagen

MADRID – Unsere Gehirne sind wie ein dichter Wald – ein komplexes, anscheinend undurchdringliches Dickicht aus interagierenden Neuronen, das Wahrnehmung und Verhalten steuert. Die große Herausforderung besteht darin, seine Geheimnisse aufzudecken, also herauszufinden, wie die Neuronen strukturiert und miteinander verbunden sind. Wie nah sind wir diesem Ziel?

Im Allgemeinen findet der Informationsaustausch zwischen den Milliarden von Neuronen, aus denen das neuronale Dickicht besteht, durch zwei verschiedene hoch spezialisierte Strukturen statt: chemische Synapsen (die Mehrzahl) und sogenannte Gap Junctions (eine Grundlage für eine Klasse elektrischer Synapsen). Bei der chemischen Übertragung an den Synapsen werden spezifische Moleküle, Neurotransmitter, freigesetzt, die sich durch den interzellulären Raum verbreiten und auf spezifische Rezeptoren wirken, die sich an einem benachbarten Neuron befinden. Bei der elektrischen Übertragung über Gap Junctions sind die Plasmamembranen von benachbarten Neuronen durch eine Lücke von etwa zwei Nanometern getrennt (zwei Milliardstel Meter), verfügen aber über kleine Kanäle (die Gap Junctions), die das Zytoplasma der benachbarten Neuronen verbinden, wodurch die Ausschüttung von kleinen Molekülen und das Fließen von elektrischem Strom ermöglicht wird.

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Das große Problem bei der Analyse des Gehirns ist die extreme Komplexität seiner synaptischen Verbindungen. Ein äußerst dichtes Netz von Prozessen besetzt den Raum zwischen den Zellkörpern der Neuronen, der Neuroglia (Zellen, die die Neuronen unterstützen und schützen) und der Blutgefäße. Aus diesem Raum (dem Neuropil) bestehen 90-98 % des Volumens der menschlichen Großhirnrinde, mit schätzungsweise einer Milliarde Synapsen pro Kubikmillimeter Neuropil.

Als ob das die Arbeit der Gehirnkartierer nicht schwierig genug machte, wurde auch noch eine große Vielfalt an synaptischen Beziehungen beobachtet. Zudem kann ein ausgeschütteter Neurotransmitter nicht nur auf andere Synapsenkontakte wirken, sondern auch auf extrasynaptische Rezeptoren. Ebenso verlaufen nicht alle elektrischen Übertragungen über Gap Junctions, und diese Formen benötigen andere spezialisierte Strukturen. Außerdem finden elektrische Interaktionen zwischen dicht aneinander liegenden neuronalen Elementen ohne offensichtliche Membranspezialisierung statt.

Ferner wird vermutet, dass Gliazellen über ihren bidirektionalen Austausch mit Neuronen an der Informationsverarbeitung beteiligt sind. Zudem wissen wir jetzt, dass die Aktivität von neuronalen Schaltkreisen stark von Neuromodulatoren (wie Dopamin, Serotonin und Acetylcholin) beeinflusst wird, die von einer kleinen Gruppe von Neuronen abgesondert und durch große Regionen des Nervensystems verbreitet werden. Neurohormone, die von neurosekretorischen Zellen ausgeschüttet werden, haben zudem über das Kreislaufsystem eine Wirkung auf viele Gehirnregionen.

Trotzdem fangen wir an, uns einen Weg durch das Dickicht zu bahnen. Die Vernetzung des Gehirns (auf Englisch „synaptome“ genannt) ist die anatomische Grundlage für eine Vielzahl von Funktionen, für die Informationen schnell von einem Punkt zu einem anderen übertragen werden müssen. Die neuronalen Schaltkreise, die für Reflexe zuständig sind, sind ein typisches Beispiel – relativ einfache, schnelle, automatische Aktionen, die unterbewusst ablaufen. Zu den anderen, wesentlich komplexeren Funktionen, die mit der synaptischen Vernetzung des Gehirns in Beziehung stehen, zählt die Informationsverarbeitung in großen, aber getrennten Schaltkreisen des sensorischen und motorischen Systems und in den Gehirnregionen, die mit dem Sprechen, Rechnen, Schreiben und Denken verbunden sind.

Die modulatorischen Systeme wirken jedoch auf mehrere neuronale Schaltkreise und Gehirnregionen. Diese diffuse Aktion hängt mit den Stimmungen und Zuständen des Gehirns insgesamt zusammen (beispielsweise Aufmerksamkeit, Schlaf und Angst).

Die schnelle und automatische serielle Rekonstruktion großer Gewebevolumen, die durch die jüngste Entwicklung von automatisierten elektromikroskopischen Techniken ermöglicht wird, ist die Methode der Wahl, um die synaptischen Verbindungen zu erforschen. Doch selbst wenn man diese Technologie anwendet, ist der komplette Nachbau ganzer Gehirne nur für relativ einfache Nervensysteme möglich. Tatsächlich ist es selbst bei einem kleinen Säugetier wie der Maus unmöglich, das Gehirn auf der ultrastrukturellen Ebene vollständig zu rekonstruieren, da die Vergrößerung, die benötigt wird, um Synapsen sichtbar zu machen, relativ kleine Bilder liefert.

Es wurde beispielsweise geschätzt, dass wir, wenn wir Sektionen von ungefähr 35 Quadratmikrometern (Millionsteln eines Meters) bei einer Stärke von 20 Nanometern verwendeten, über 1,4 Milliarden Sektionen bräuchten, um nur einen Kubikmillimeter Gewebe vollständig zu rekonstruieren. Während also vollständige Rekonstruktionen einer kleinen Region des Säugetierhirns machbar sind, können Strukturen wie die Großhirnrinde – mit einer Oberfläche von 0,22 Quadratmetern und einer Stärke von 1,5 bis 4,5 Millimetern – nicht vollständig rekonstruiert werden.

Dennoch sollte es trotz der technischen Schwierigkeiten möglich sein, bei der Entwirrung der Gehirnorganisation, sogar bei Menschen, sensationelle Fortschritte zu machen, indem geeignete Strategien mit den derzeit verfügbaren Instrumenten umgesetzt werden. Obwohl beispielsweise die Dichte der Synapsen in einem bestimmten Bereich und einer bestimmten Ebene unterschiedlich sein kann, ist diese Variabilität relativ eng begrenzt, sodass die statistische Verteilung der Abweichungen modellhaft nachgebildet werden kann. Das bedeutet, dass wir nicht die gesamte Ebene in einem bestimmten Bereich rekonstruieren müssen, um die absolute Anzahl und die Arten von Synapsen zu bestimmen; stattdessen kann die Variabilitätsspanne durch mehrere Proben relativ kleiner Regionen in diesem Bereich bestimmt werden.

Wenn man diese detaillierten Daten zur Struktur mit den unvollständigen Vernetzungsdiagrammen aus Licht- und Elektronenmikroskopie kombiniert, ist es unter Umständen möglich, ein realistisches statistisches Modell zu erstellen, anstatt zu versuchen, das gesamte Gehirn zu rekonstruieren. Computermodelle für neuronale Netzwerke, die auf realen Schaltkreisen beruhen, sind bereits zu nützlichen Instrumenten geworden, um einige Aspekte der funktionalen Organisation des Gehirns zu studieren.

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So ist es möglich, dass es uns, obwohl ein wirkliches Abbild der Synapsen des Säugetierhirns ein utopisches Ziel bleibt, in naher Zukunft gelingt, einen „Silikonkortex“ zu konstruieren, eine computergestützte Maschine, die auf einem realistischen Modell des gesamten anatomischen, physiologischen und molekularen Bauplans des kortikalen Netzes beruht. Wenn uns das gelingt, können wir endlich den Wald sehen – ohne jeden einzelnen Baum suchen zu müssen.

Aus dem Englischen von Anke Püttmann