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Gehirn in 3D: Brodmann-Areale waren gestern

Foto: Amunts/ Zilles Forschungszentrum Jülich

Revolutionärer Atlas Entdecke dein Gehirn

Es ist höchstkomplex, hat zig Milliarden Nervenzellen - und ist auch für viele Experten immer noch ein Rätsel. Forscher entwickeln jetzt einen neuen 3-D-Atlas des menschlichen Gehirns. Aus gutem Grund: Wenn Ärzte operieren, orientieren sie sich noch an einer Karte, die mehr als 100 Jahre alt ist.
Von Nora Somborn

Schüler lernen sie im Unterricht. Sie fehlt in keinem Buch über das menschliche Gehirn. Und selbst Wissenschaftler und Ärzte nutzen sie noch zur Orientierung: die Gehirnkarte von Korbinian Brodmann, die er 1909 veröffentlicht hat.

Dass Brodmanns Karte stark veraltet ist und auf ihr viele Areale falsch eingeteilt sind, ist Wissenschaftlern seit langem klar - erst jetzt aber wird eine neue erstellt. Katrin Amunts und Karl Zilles vom Institut für Neurowissenschaften und Medizin am Forschungszentrum Jülich arbeiten an einer völlig neuen virtuellen Karte des menschlichen Gehirns. Sie soll viel präziser werden.

"Die Forscher arbeiten noch mit Brodmanns Karte, weil seine Einteilung relativ einfach erscheint", sagt Amunts SPIEGEL ONLINE. Wissenschaftlich verlässlich sei seine Karte aber nicht. Zilles nennt das mehr als hundert Jahre alte Werk "zu kleinen Teilen richtig, zu großen Teilen aber falsch".

Im Fachjournal "Nature Reviews Neuroscience" würdigten die beiden Forscher kürzlich Brodmann (1868-1918) als ihr Vorbild - und stellten gleichzeitig ihr eigenes Verfahren dar, das sich drastisch von dessen eingeschränkten Methoden unterscheidet.

Die alte Karte ist zu großen Teilen falsch

Brodmanns wichtigstes Werkzeug war das Lichtmikroskop. In akribischer Arbeit schnitt der Arzt die Gehirne von Leichen in hauchdünne Scheibchen und betrachtete sie durch das Okular. Peinlich genau zeichnete er, was er sah: Nervenzellen und Zellgewebe, die in den verschiedenen Arealen des Gehirns unterschiedlich gestaltet sind. Dazu wälzte er Bücher mit Fallbeispielen von Patienten. Er verglich ihre Krankheitsbilder mit den Verletzungen in ihren Gehirnen und schloss so auf die Funktionen der einzelnen Gehirnareale.

Aus seinen Erkenntnissen leitete Brodmann eine Karte des Großhirns mit 43 Arealen ab, denen er unterschiedliche Funktionen zuwies. Im Brodmann-Areal Nummer 17 beispielsweise finden sich Nervenzellen, die Sehinformationen aus dem Auge empfangen und an andere Hirnareale weiterleiten.

Zilles und Amunts arbeiten nun an einer Generalrevision dieser Informationen. Rund 50 bis 60 Prozent der Großhirnrinde, also der äußeren Schicht des Großhirns, haben sie schon neu kartiert. Ihre Ergebnisse stellen sie anderen Forschern und Ärzten kostenlos im Internet zur Verfügung . Die Karte sollen Mediziner nutzen, um erkrankte Stellen im Gehirn präzise zu finden. Und Pharmazeuten soll sie bei der Entwicklung von neuen Medikamenten gegen Hirnerkrankungen unterstützen. Außerdem könnte die Karte verdeutlichen, was das menschliche Gehirn im Vergleich zu den grauen Zellen anderer Tiere so speziell macht.

Die neue Gehirnkarte ist offensichtlich schon jetzt vom großem Nutzen, obwohl sie noch nicht vollständig ist. Rund 22.000 Mal ist das kleine Programm, mit dem man sie ansehen kann, schon aus dem Netz heruntergeladen worden.

Virtuelle Hirnkarte in 3D

Für ihre neue Hirnkarte nutzen die Wissenschaftler viele verschiedene Methoden und Instrumente, nicht nur ein einfaches Lichtmikroskop wie Brodmann. Ihr Verfahren sei "multimodal", wie sie sagen. Im ersten Schritt legen sie dazu das Gehirn eines Toten in einen Kernspintomographen und scannen seine Gesamtstruktur ab. Dann schneiden sie das Gehirn in hauchdünne Scheibchen von nur wenigen Tausendstel Millimeter und untersuchen es im Detail mit einem eigens dafür konstruierten Lichtmikroskop.

Schicht für Schicht scannt das Mikroskop die Gehirnproben automatisch ab. Unabhängig vom Forscher, der das Mikroskop bedient, kommt es dabei immer zu den gleichen Ergebnissen. Ein Computerprogramm verknüpft anschließend die Daten aus Kernspintomograph und Mikroskop miteinander. Es reiht die Schnitte dreidimensional aneinander und rekonstruiert so Aufbau, Größe und Verteilung der Zellen im Gehirn, die sogenannte Zytoarchitektonik. Das Ergebnis ist ein virtuelles Gehirnmodell in 3D.

Brodmanns Karte ist dagegen nur zweidimensional. Der Arzt hatte seinerzeit nur den äußeren Teil der Großhirnrinde untersucht. Die Oberfläche der Großhirnrinde ist in tiefe Furchen gewunden, so dass bloß rund ein Drittel von außen ersichtlich ist. "Alle Gehirnbereiche, die in den Furchen darunter liegen, sind in der Hirnkarte von Brodmann nicht erfasst", sagt Zilles.

Projekt Konnektom - auf der Spur der Nervennetze

Zilles würdigt Brodmanns Forschung als revolutionär - seinerzeit hätten die Wissenschaftler und Ärzte noch geglaubt, dass das Gehirn überall vollständig gleich aufgebaut ist. Brodmann sei erstmals eine klare Abgrenzung von den Gedanken der "Phrenologen" wie Franz Josef Gall (1758-1828) gelungen. Dieser behauptete, dass er anhand der Schädelform auf die Form des Gehirns und auf besonders ausgeprägte Charakterzüge wie Machtwillen oder Feigheit schließen könne. "Brodmann unterscheidet sich radikal von diesen Ideen", sagt Zilles. "Sein Ansatz war richtig."

Die dreidimensionale Analyse der Gehirnstruktur ist nicht alles, was die Karte aus Jülich auszeichnet. Neu ist auch, dass die Hirnforscher die Ergebnisse von molekularen Tests mit in ihre Karte aufnehmen. Sie untersuchen die Verteilungen von Rezeptoren für Botenstoffe wie Noradrenalin, Glutamat oder Serotonin im Gehirn, indem sie die Botenstoffe markieren und beobachten. In welchen Verhältnissen diese Rezeptoren in einem Gehirnareal vorkommen, hilft ihnen einzuschätzen, welche Funktion das Areal hat. Ihre Ergebnisse dazu tragen sie ebenfalls in ihre Karte ein. Auch Daten über die Aktivität von bestimmten Genen nehmen sie auf.

Alle diese Informationen verknüpfen die Hirnforscher mit Erkenntnissen, die ihnen über die Funktionen von verschiedenen Hirnarealen vorliegen. Hierzu testen sie zusätzlich Versuchspersonen im Kernspintomographen, lassen sie beispielsweise Wörter zu Kategorien wie Musikinstrumente oder Früchte aufsagen und kontrollieren, welche Hirnregionen dabei aktiv werden. Besonders wichtig sind ihre Tests mit Patienten, die an Störungen der Gehirnfunktionen leiden und zum Beispiel ihre Sprache verloren haben.

Jedes Gehirn ist anders

Das Ergebnis aus anatomischem Aufbau, molekularer Struktur und biologischer Funktionsanalyse ist eine detaillierte Karte, die wie bei Brodmann das Gehirn in Areale einteilt. Statt 43 Areale wie in Brodmanns erster Karte wird die Karte aber ein Vielfaches an Hirnregionen aufweisen. Rund 200 Gebiete haben Zilles und Amunts schon abgesteckt, mehr als 100 weitere könnten folgen.

Mit endgültiger Sicherheit können aber auch Zilles und Amunts nicht sagen, wo genau die Grenzen zwischen den einzelnen Gehirnarealen liegen. Das ist schlicht unmöglich: "Menschen unterscheiden sich in ihren Gehirnen, wie sie sich auch in Größe, Augen- oder Haarfarbe unterscheiden", sagt Amunts. Das Gehirn sei viel dynamischer, als Brodmann es sich vorgestellt hätte. Die neue Karte gibt somit lediglich Wahrscheinlichkeiten an. Die Neurobiologen vergleichen die Gehirne von verschiedenen Personen und berechnen daraus eine Wahrscheinlichkeit, mit der an einer bestimmten Stelle des Gehirns ein bestimmtes Areal zu finden ist.

Besonders den Assoziationskortex, das Gehirnareal, in dem Sinneseindrücke wie Schmecken, Riechen und Hören miteinander verknüpft werden, möchten die Wissenschaftler neu kartieren. Brodmann seien in diesem Gebiet, das über die Großhirnrinde verstreut ist und immerhin rund zwei Drittel davon umfasst, viele Fehler in seiner Kartierung unterlaufen. Für die Forscher ist der Assoziationskortex sehr interessant, da sie hier gut untersuchen können, wie Nervenzellen zusammenspielen.

Die sogenannte Konnektivität, also die Vernetzung der Nervenzellen, ist seit längerer Zeit ein Schlagwort unter Neurobiologen. Sie wissen inzwischen, dass die Gehirnbereiche nicht losgelöst voneinander funktionieren, wie Brodmann es sich noch vorgestellt hatte.

Genom, Proteom und jetzt Konnektom

"Unser Gehirn ist ein Netzwerk", sagt Zilles. Die Kopplung der vielen Milliarden Nervenzellen im Gehirn untereinander sei für die Funktion des Gehirns entscheidend. In Amerika startet demnächst ein Millionen-Dollar-Projekt, das sich die ehrgeizige Aufgabe gesetzt hat, alle Nervenverknüpfungen im Gehirn zu entdecken. Die Suche nach diesem Konnektom - analog zum Genom als der Gesamtheit aller Gene eines Organismus - ist ein neuer Trend der Neurologie. Zilles: "Unsere Karte wird die Basis für das Konnektom-Projekt sein."

Mit seinen Kollegen möchte der Forscher auch selbst nach Nervennetzen suchen. Dazu haben sie ein altes Verfahren wiederbelebt. Mit der sogenannten Polarisationsmikroskopie werden üblicherweise Kristalle und andere Objekte abgebildet, die das Licht durch ihre Struktur in besonderer Weise brechen. Zilles und Amunts nutzen die Methode jetzt, um die faserartigen Fortsätze von Nervenzellen, die Axone, abzulichten. Axone ermöglichen es Nervenzellen, Impulse an andere Nervenzellen weiterzuleiten. Sie sind von außen zumeist mit einer fettreichen Myelinschicht ummantelt, die das Licht ähnlich wie ein Kristall bricht. Selbst nah beieinander liegende Nervenfortsätze in den tief liegenden Regionen des Gehirns hoffen Zilles und Amunts so voneinander zu unterscheiden.

Ihre vollständige Hirnkarte mit allen Details möchten die Forscher in fünf Jahren präsentieren. Brodmanns alte Karte landet damit wohl endgültig in den Archiven der Wissenschaftsgeschichte.

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