Hirnforschung: Neue Aufnahmen zeigen die Struktur der Nervenbahnen

Die neuen Aufnahmen des Gehirns erinnern an einen zum Origami-Kunstwerk gefalteten Computer-Chip. Parallel verlaufende Nervenbahnen kreuzen einander in geometrisch exakten rechten Winkeln und bilden Gitter und Gerüste. Der einfache Aufbau erlaubt eine elegante Erklärung der Entwicklung und Evolution des Gehirns und könnte zum besseren Verständnis von Hirnkrankheiten beitragen.

"Es gab bisher keinen guten Atlas der Nervennetze", schreibt der Forscher Van Wedeen der Harvard University in Cambridge (US-Staat Massachusetts) nun im Fachmagazin "Science". Anatomische Untersuchungen von Gewebeschnitten und Scan-Aufnahmen konnten die grobe Architektur der Hirnregionen zeigen. Injektionen von Farbmolekülen am lebenden Versuchstier zeichnen die Bahnen einzelner Nervenfasern nach, doch der Aufbau des Gewebes lässt sich so nur schwer veranschaulichen. Das menschliche Gehirn kann man aus ethischen Gründen mit solchen Injektionen gar nicht untersuchen.

Wie Tinte auf dem Tischtuch

Van Wedeens Team hat jetzt das Diffusions-Tensor-Bildgebungsverfahren, eine Sonderform der Magnetresonanztomografie, eingesetzt, bei der die Bewegung von Wassermolekülen in den Nervensträngen erfasst wird und ihren Verlauf so sichtbar macht. "Es ist, wie wenn man Tinte auf ein Tischtuch kippt; da verläuft die Farbe auch entlang der Fasern", sagt Wedeen.

Um die nun entdeckte Geometrie der Nervennetze sichtbar zu machen, entwickelten die Forscher eine sogenannte Nachbarschaftsanalyse, die für einen beliebigen Nervenstrang alle anderen Nervenstränge, die ihn kreuzen, erfasst. Erst wenn alle benachbarten Nervenbahnen im Gehirnbild aufleuchten, wird die von rechten Winkeln geprägte regelmäßige Gitterstruktur der Verbindungen deutlich.

Wedeen und sein Team gehen von einer einfachen Erklärung für den Aufbau der Netze aus. Während der Embryonalentwicklung orchestrieren Moleküle die Formgebung des Körpers entlang der drei Körperachsen: der Längsachse (von Kopf bis Fuß), der Sagittalachse (vom Rücken zum Bauch) und der Transversalachse (von links nach rechts).

Gestörte Faserbahngeometrie

Das Gehirn entwickelt sich aus einem zunächst zweidimensionalen Zelltuch, das entlang dieser drei Achsen komplex gefaltet wird. Die nun entdeckten Gitterstrukturen der Nervenfasern legen es nahe, dass auch diese sich an den drei Achsen orientieren. Die Krümmung der Gitter wäre dann auf die während der Entwicklung entstandenen Falten und Windungen des Gehirngewebes zurückzuführen.

"Das muss man natürlich in entsprechenden Studien am sich entwickelnden Gehirn noch nachweisen", sagt Katrin Amunts vom Institut für Neurowissenschaften und Medizin am Forschungszentrum Jülich, in ihrem Kommentar zu den Ergebnissen Van Wedeens. Diese könnten auch das Verständnis von Fehlentwicklungen in der Struktur der Nervenbahnen verbessern.

Zu Krankheiten, bei denen eine Störung der Faserbahngeometrie beteiligt ist oder sein könnte, gehören etwa Schizophrenie, Multiple Sklerose, Schlaganfall, Demenz und Aufmerksamkeitsstörungen. "Wenn man das Organisationsprinzip kennt, lassen sich Abweichungen mit bildgebenden Verfahren viel leichter finden und verstehen. Es sollte relativ einfach sein, schnelle Testmethoden für die Praxis zu entwickeln", sagt Amunts Kollege Karl Zilles.

Kartierung des Hirns geplant

Auch für ihre eigene Forschung von Amunts und Zilles ist Wedeens Entdeckung wichtig. Die beiden arbeiten an einem digitalen Modell des Gehirns, in dem sie Daten zu Faserbahnen, zur Feinstruktur der Nerven, zur Verteilung von Zellen und Rezeptormolekülen sowie zur Funktion der verschiedenen Hirnareale kombinieren. Die Faserbahnen werden dabei im Mikroskop mit einer noch weit höheren räumlichen Auflösung von einem Tausendstel Millimeter erfasst. "Wir schneiden das Gehirn in extrem dünne Schnitte und verfolgen die Nervenbahnen im Mikroskop von Schnitt zu Schnitt. Da ist es hilfreich, wenn man weiß, dass die Bahnen zueinander senkrecht stehen", sagt Amunts.

Um vergleichende Analysen verschiedener menschlicher Gehirne künftig zu ermöglichen, plant Wedeen als Nächstes die Kartierung der Gehirne von etwa hundert Probanden. Hierfür will er den im September installierten Connectom-Scanner einsetzen, der eine besonders hohe Auflösung der Nervenbahnen ermöglicht. Das Konnektom Projekt hat die detaillierte Erfassung aller Nervenverknüpfungen im menschlichen Gehirn zum Ziel.

In der aktuellen Studie haben die Forscher neben einigen menschlichen Probanden auch die Gehirne von vier Affenarten analysiert. Dabei zeigt sich, dass alle Arten über die gleiche räumliche Grundstruktur der Nervennetze und -gerüste verfügen, dass sich aber im Laufe der Evolution komplexere Strukturen herausgebildet haben. Wedeen argumentiert, dass das zugrunde liegende Ordnungsprinzip besonders zugänglich für evolutionäre Entwicklungen ist: "Ein einfaches Koordinatensystem lässt sich besser in kleinen, kontinuierlichen Veränderungen von Genaktivitäten modifizieren als Modelle mit unabhängigen Schaltkreisen."

Ein besseres Verständnis der Nervennetze könnte schließlich auch bei Versuchen helfen, künstliche Intelligenz zu programmieren oder sogar das menschliche Gehirn zu simulieren, wie es sich das Human Brain Project vorgenommen hat. "Ich hoffe, dass künftige Modelle die Bedeutung dieser räumlichen Zusammenhänge stärker berücksichtigen", sagt Wedeen.

Die mathematischen Herausforderungen hierfür sind allerdings groß, denn die einfach gewebte Faserstruktur ist nur scheinbar schlicht. "Da die Flächen der Netze im Raum gekrümmt sind, muss man sie mit den hochkomplexen Gleichungssystemen der Differenzialgeometrie berechnen - den gleichen mathematischen Verfahren die man auch in der Relativitätstheorie einsetzt", sagt Amunts.