Hirnforschung: Computer enträtselt Sehsinn von Mäusen und Fliegen

Von

Es ist der Traum von Neuroforschern: eine Landkarte des Gehirns, die alle Funktionen des Denkorgans nachstellt. Ein kleiner Schritt in diese Richtung ist jetzt geglückt: Wissenschaftler haben per Computer simuliert, wie Mäuse und Fruchtfliegen sehen.

Helmstaedter, Isensee/ Max-Planck-Institut

Das menschliche Gehirn besitzt rund 100 Milliarden Nervenzellen, und jede einzelne besitzt im Durchschnitt 1000 Verknüpfungen zu anderen Zellen - das macht insgesamt 100 Billionen. Viele Neurowissenschaftler glauben, dass es nur einen Weg gibt, diese ungeheuer komplexe Maschine zu verstehen: "Wir müssen wissen, wie all die Nervenzellen miteinander verschaltet sind und wie sie leisten, was sie leisten", sagt Alexander Borst vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried.

Derartige Vorhaben sind derzeit en vogue. Die EU etwa fördert das "Human Brain Project", das die Simulation des kompletten menschlichen Hirns zum Ziel hat, mit bis zu einer Milliarde Euro. Manche Fachleute wiederum halten das angesichts der Komplexität des Denkorgans für reine Geldverschwendung.

Was drei internationale Wissenschaftlerteams nun im Fachblatt "Nature" vorlegen, könnte beiden Seiten Munition liefern. Per Computer haben die Forscher nachgestellt, wie Mäuse und Fruchtfliegen sehen. Die Simulationen der visuellen Nervensysteme sind beeindruckend - und doch zeigen sie, wie weit die Forschung noch von einen Verständnis des menschlichen Denkorgans entfernt ist.

Nervenzellen für unterschiedliche Richtungen

In einer der drei Studien hat ein Team aus nordamerikanischen Neurowissenschaftlern Fliegengehirne eingefroren, um sie dann in kleinste Stücke zu zerlegen. Mit einem Elektronenmikroskop haben die Forscher um Dmitri Chklovskii vom Howard Hughes Medical Institute in Ashburn (US-Bundesstaat Virginia) digitale Abbilder der Gehirnteile geschaffen. Sie bildeten so einen Zellblock mit 700 Nervenzellen und ihren Verbindungen nach. 379 der Nervenzellen des Blocks konnten sie mit Sicherheit rekonstruieren. Sie bestanden aus mindestens 56 Zelltypen und wiesen mehr als 8600 Verbindungen untereinander auf.

In dem Zellblock befinden sich Areale, die speziell für die Bewegungswahrnehmung zuständig sind. Sie sind wie Schaltkreise angeordnet: Jeder verarbeitet eine bestimmte Richtung der wahrgenommenen Bewegung. Sieht eine Fliege eine Bewegung, geschieht in ihren Zellen demnach Folgendes: Zwei Nervenzellen in unterschiedlichen Bereichen des Sehfelds schicken ihre Informationen an eine Nervenzelle. Berichtet die eine früher als die andere von dem Ereignis, meldet die Zelle am Ende der Leitung diese Verzögerung. Die Fliege nimmt die Bewegung wahr - und kann so beispielsweise der Fliegenklatsche elegant ausweichen.

In der zweiten Studie stellte sich heraus, wie Fliegen die Richtung einer Bewegung erkennen. Alexander Borst und seine Kollegen untersuchten die Zellaktivität im visuellen System der Fruchtfliegen. Dazu verabreichten sie den Insekten eine fluoreszierende Flüssigkeit, die leuchtete, wenn die Nervenzellen aktiv waren.

In Experimenten bewegten die Forscher winzige Objekte in bestimmten Winkeln des Sichtfelds der Fliege, etwa vor und zurück oder von links nach rechts. Daraufhin leuchteten bei der Fliege bestimmte Nervenzellen. Dabei stellte sich heraus, dass zwei Nervenzellformen für die optische Wahrnehmung besonders wichtig sind. Sie besitzen jeweils vier Unterformen, und jede reagiert nur auf eine der vier Hauptrichtungen: oben, unten, links und rechts.

Vier Jahre Arbeit für 0,06 Prozent der Maus-Netzhaut

Allerdings ist das Gehirn der Fruchtfliege von überschaubarer Größe. Lässt sich aber auch das ungleich komplexere Gehirn von Säugetieren in einer dreidimensionalen Landkarte darstellen? Der dritten Forschergruppe, geleitet von Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie, ist das zumindest zum Teil gelungen: Das Team kartierte das visuelle System einer Maus in einem 3-D-Modell - und entdeckte dabei sogar einen neuen Zelltyp, dessen Funktion noch ungewiss ist.

Die Forscher entnahmen einer Maus ein kleines Stück ihrer Netzhaut und schnitten sie in extrem dünne Scheiben, die mit dem Elektromikroskop in digitale Bilder umgewandelt wurden. Der Computer teilte dann die Neuronen nach ihrer Struktur ein und färbte unterschiedliche Zellstrukturen mit unterschiedlichen Farben ein. In einem weiteren Schritt wurden das Volumen der Neuronen sowie ihre Verknüpfungen untereinander berechnet. Schicht für Schicht entstand so ein dreidimensionales Bild.

Doch die Erstellung des Modells war enorm aufwendig. "Wir brauchten ungefähr einen Monat, um die Daten zu gewinnen, und vier Jahre, um sie zu analysieren", erklärt Helmstaedter. Da die derzeitigen Computer nicht leistungsstark genug sind, um die langen Verzweigungen von Neuronen fehlerfrei nachzuvollziehen, verfolgten 200 Studenten in mehr als 20.000 Stunden den Weg jeder einzelnen Nervenzelle und speisten ihre Informationen in den Rechner.

Insgesamt 950 Neuronen und ihre Verknüpfungen haben sie in ihrer Größe und Anordnung abgebildet. Dennoch stellt das Modell nur 0,06 Prozent der Maus-Netzhaut dar. Das gesamte Gehirn einer Maus ist um ein Vielfaches größer - von dem des Menschen ganz zu schweigen.

Helmstaedter glaubt, dass die Ergebnisse der drei Teams die Hirnforschung revolutionieren werden. "Ein nächster Schritt könnte die Landkarte vom Gehirn sein - in zehn oder 20 Jahren", sagt auch MPI-Forscher Borst. Doch dafür müssten alle Prozesse automatisch von einem Computer übernommen werden, denn die vielen menschlichen Arbeitsstunden sind praktisch unbezahlbar. Auch schätzen Experten, dass ein solcher Hirnatlas mehrere Millionen Terabyte Speicherplatz bräuchte. Zum Vergleich: Aktuell verfügbare Festplatten bieten üblicherweise nicht mehr als vier Terabyte.

Diesen Artikel...
  • Aus Datenschutzgründen wird Ihre IP-Adresse nur dann gespeichert, wenn Sie angemeldeter und eingeloggter Facebook-Nutzer sind. Wenn Sie mehr zum Thema Datenschutz wissen wollen, klicken Sie auf das i.
  • Auf anderen Social Networks teilen

Forum - Diskutieren Sie über diesen Artikel
insgesamt 26 Beiträge
Alle Kommentare öffnen
    Seite 1    
1. Eine Landkarte mit allen
Pfaffenwinkel 07.08.2013
Funktionen des Gehirns erstellen? Das schaffen die Wissenschaftler nie.
2. Neuromythologie
doppelpost123 07.08.2013
Zitat von sysopEs ist der Traum von Neuroforschern: eine Landkarte des Gehirns, die alle Funktionen des Denkorgans nachstellt. Ein kleiner Schritt in diese Richtung ist jetzt geglückt: Wissenschaftler haben per Computer simuliert, wie Mäuse und Fruchtfliegen sehen. Hirnforschung: Computer enträtselt Sehsinn von Mäusen und Fliegen - SPIEGEL ONLINE (http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/hirnforschung-computer-entraetselt-sehsinn-von-maeusen-und-fliegen-a-915396.html)
Ein sehr interessantes Interview zu diesem Thema: https://www.taz.de/1/archiv/digitaz/artikel/?ressort=ku&dig=2013%2F01%2F26%2Fa0051&cHash=c6be3dd86678909593b20c64fad6fb0d https://www.taz.de/!113458/ Habe das Buch leider noch nicht gelesen, werde es mir aber besorgen.
3.
EvilGenius 07.08.2013
Zitat von sysopDoch dafür müssten alle Prozesse automatisch von einem Computer übernommen werden, denn die vielen menschlichen Arbeitsstunden sind praktisch unbezahlbar. Auch schätzen Experten, dass ein solcher Hirnatlas mehrere Millionen Terabyte Speicherplatz bräuchte.
Hierzu sei angemerkt, dass das nur deshalb soviel Speicher braucht, weil es eben sehr sehr viele hochauflösende Bilder sind, die von den Studenten dort durchforstet wurden. Die fertige "Karte" lässt sich erheblich platzsparender darstellen.
4.
MarkusRiedhaus 07.08.2013
Zitat von PfaffenwinkelFunktionen des Gehirns erstellen? Das schaffen die Wissenschaftler nie.
Ich möchte gerne wissen woher sie ihren Pessimismus nehmen, wenn ja schon jetzt Kleinteile hinreichend beschrieben werden können. Haben sie prophetische Eigenschaften, dass sie wissen was man in 10-20, 100-200 und 1000-2000 oder gar 10000 Jahren erreichen und nachbauen kann? Das menschliche Gehirn hat eine endliche Größe und auch nur eine endliche Komplexität. Das mag tausende Petabyte an Daten verbrauchen in einem Rechner, dies ist auch nicht verwunderlich, denn im Gehirn muss ja neben dem Sehen auch noch Wissen, Kreativität etc. nachvollziehbar gespeichert und abgerufen werden können. D.h. wenn sie ein Buch zur Hand nehmen das sie schon einmal gelesen haben werden bestimmte Erinnerungen abgerufen etc. Das sind aber alles auch nur endliche Größen.
5.
MarkusRiedhaus 07.08.2013
Zitat von doppelpost123Ein sehr interessantes Interview zu diesem Thema: https://www.taz.de/1/archiv/digitaz/artikel/?ressort=ku&dig=2013%2F01%2F26%2Fa0051&cHash=c6be3dd86678909593b20c64fad6fb0d https://www.taz.de/!113458/ Habe das Buch leider noch nicht gelesen, werde es mir aber besorgen.
Felix Hasler fürchtet die Zerstörung seiner Arbeitsgrundlage durch die Neurowissenschaft. In dem Interview gibt er nicht einen brauchbaren Absatz seinerseits, dazu bemüht er das tote Pferd Dualismus in seinem Buch das nach dem Motto geschrieben: "Die böse Pharmaindustrie raubt mir meine Kunden" zumindest wenn es ums Geld geht wird knallhart der Feind beim Namen genannt. Man kann nur hoffen dass nicht zu viele den Bauernfängern auf den Leim gehen.
Alle Kommentare öffnen
    Seite 1    
News verfolgen

HilfeLassen Sie sich mit kostenlosen Diensten auf dem Laufenden halten:

alles aus der Rubrik Wissenschaft
Twitter | RSS
alles aus der Rubrik Natur
RSS
alles zum Thema Hirnforschung
RSS

© SPIEGEL ONLINE 2013
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH



  • Drucken Senden
  • Nutzungsrechte Feedback
  • Kommentieren | 26 Kommentare
Kurzer Wegweiser durch das Gehirn
Gehirn: Steuerzentrale des Körpers
Als Gehirn bezeichnet man den im Kopf gelegenen Abschnitt des Nervensystems, der die zentrale Steuerungszentrale des Körpers bildet. Bei höher entwickelten Tieren bildet das Gehirn zusammen mit dem Rückenmark das Zentralnervensystem. In ihm sind die Sinneszentren und übergeordnete Schaltzentren (Koordinations- und Assoziationszentren) zusammengefasst. Es ist für die Ausbildung komplizierter Handlungsabläufe, für die Fähigkeit des Gedächtnisses und für die Ausprägung von Denken, Gefühlen, Bewusstsein und Intelligenz verantwortlich.
Gehirnteile: Vorderhirn, Mittelhirn, Rautenhirn
Das menschliche Gehirn und auch das Gehirn vieler Tiere ist in drei Hauptteile gegliedert: Vorderhirn, Mittelhirn und Rautenhirn. Schon bei niederen Wirbeltieren entstehen aus dem Vorderhirn (Prosencephalon) das der Nase zugeordnete Endhirn (Großhirn) und das den Augen zugeordnete Zwischenhirn. Das Mittelhirn (Mesencephalon) bleibt ungegliedert erhalten. Das Rautenhirn (Rhombencephalon) gliedert sich weiter auf in das Hinterhirn mit dem Kleinhirn und der Brücke sowie in das verlängerte Mark, das den Übergang zum Rückenmark bildet. Mit zunehmender Höherentwicklung vergrößern sich die Teile und differenzieren sich weiter.
Großhirn: Spezialität des menschlichen Gehirns
Speziell für das menschliche Gehirn ist die Größe und Komplexität des Großhirns. Die Faltung seiner Oberfläche bewirkt eine enorme Oberflächenvergrößerung, so dass es die übrigen Hirnteile überwölbt. Das Großhirn ist das Zentrum für unsere geistigen und seelischen Fähigkeiten und damit für die komplexesten Gehirnleistungen. Es besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch ein dickes Bündel Nervenfasern, den sogenannten Balken, miteinander verbunden sind.
Großhirnrinde: Sitz der "grauen Zellen"
Die äußere Schicht des Großhirns wird als Großhirnrinde (Cortex cerebri, kurz Cortex) bezeichnet. Sie ist nur etwa zwei bis fünf Millimeter dick und enthält die erstaunliche Menge von 10 bis 14 Milliarden Nervenzellen. Wenn Gehirne in Formalin haltbar gemacht werden, sieht die Großhirnrinde grau aus. Sie wird deshalb auch als graue Substanz bezeichnet und umgangssprachlich spricht man oft von "grauen Zellen". Der übrige Teil des Großhirns besteht aus Nervenfasern, welche die Nervenzellen mit anderen Hirnteilen verbinden. Dieser Teil wird auch als weiße Substanz bezeichnet.