Eines Tages im Sommer 2011 veränderte sich die Geschichte der Wissenschaft für immer, in einem englischen Herrenhaus namens Chicheley Hall. Dort trafen sich zwei Dutzend Hirnexperten und Spezialisten für die Erforschung millionstel Millimeter großer Strukturen, um mögliche Kooperationen zu besprechen. Der spanische Neurowissenschaftler Rafael Yuste stand auf und schlug vor, alle Neuronen einzeln zu analysieren. Nur eine Handvoll zu untersuchen, verkündete er, sei so, als würde man versuchen, fernzusehen, indem man auf ein einzelnes Pixel schaut. Diese Idee klang weltfremd, aber daraus wurde die BRAIN-Initiative, ein US-Regierungsprojekt, das bereits über ein Budget von rund 3 Milliarden Euro verfügt. Ihre neuesten Ergebnisse, die an diesem Mittwoch veröffentlicht wurden, sind beeindruckend: die erste fast vollständige Karte eines Mausgehirns. Der Traum, das Organ des menschlichen Denkens zu erobern, rückt heute viel näher.
Der spanische Arzt Santiago Ramón y Cajal begann 1888 allein in seinem Haus in Barcelona mit der Erstellung einer Karte des Gehirns. Er begann mit Geflügelorganen, weshalb seine Familie oft Hühnchen zum Abendessen aß. Dann widmete er sich Mäusen, Kaninchen und den noch warmen Kinderleichen, die in der Inclusa in Madrid gesammelt wurden. Cajal perfektionierte einen chemischen Cocktail zur Gewebefärbung und beobachtete als Erster durch sein Mikroskop, dass das Nervensystem aus einzelnen Zellen besteht: Neuronen. Jahrzehntelang zeichnete er sie von Hand und klassifizierte sie anhand ihrer verschlungenen Formen. Die Ergebnisse von diesem Mittwoch zeigen, in welchem Ausmaß die Wissenschaft einen exponentiellen Sprung gemacht hat. Ein Konsortium aus Hunderten von Wissenschaftlern hat modernste Technologien eingesetzt, um automatisch mehr als vier Millionen Zellen nacheinander zu analysieren und dabei herauszufinden, um welchen Typ es sich handelt und erstmals auch, wo genau sie sich befinden. Es ist die vollständigste Karte des Gehirns eines Säugetiers.
Rafael Yuste, Professor an der Columbia University (USA), hält diese neuen Ergebnisse, die in einem Dutzend Studien in der Fachzeitschrift veröffentlicht werden, für „spektakulär“. Natur, Avantgarde der besten Weltwissenschaft. „Eine Liste aller Neuronen zu haben, kann man wie einen Rosetta-Stein des Gehirns betrachten“, sagt Yuste und spielt damit auf den gravierten Stein an, der im 19. Jahrhundert die Entzifferung ägyptischer Hieroglyphen ermöglichte.
Alle Zellen desselben Tieres haben dasselbe Rezeptbuch, die DNA, mit den Anweisungen zur Herstellung der Bausteine des Lebens: Proteine. Allerdings gibt es in einem Menschen Tausende sehr unterschiedlicher Zelltypen, von Neuronen im Gehirn bis hin zu roten Blutkörperchen. Die Erklärung ist, dass jede Zelle unterschiedliche Seiten desselben Rezeptbuchs liest. Der chinesisch-amerikanische Biophysiker Xiaowei Zhuang von der Harvard University erfand 2015 eine neue Technologie namens MERFISH, die in der Lage ist, die Position jeder Zelle zu lokalisieren und herauszufinden, welche DNA-Seiten darin gelesen werden. Man nennt es räumliche Transkriptomik. Yuste verteidigt, dass Zhuang den Nobelpreis verdient. „Sie ist eine der besten Wissenschaftlerinnen unserer Generation“, sagt er.
Das amerikanische Konsortium unter der Leitung der Neurowissenschaftlerin Hongkui Zeng und Xiaowei Zhuang selbst hat 34 Klassen und mehr als 5.300 Zelltypen im Gehirn von Mäusen beschrieben, einem Organ von der Größe einer Erbse. Es wiegt kaum ein halbes Gramm, enthält aber etwa 70 Millionen Neuronen. Seine Komplexität verblasst jedoch vor der komplexesten Struktur auf der Erde: dem menschlichen Gehirn, das über etwa 86 Milliarden Neuronen mit Billionen von Verbindungen zwischen ihnen verfügt.
Im März gelang dem spanischen Biologen Albert Cardona und seiner kroatischen Kollegin Marta Zlatic die erste Karte eines vollständigen Gehirns, der der Fruchtfliegenlarve, einer Struktur mit nur 3.016 Neuronen und 548.000 Verbindungen – auch Synapsen genannt – zwischen ihnen. „Die großartige Arbeit, die jetzt veröffentlicht wird, ist spektakulär: Sie stellt eine fast vollständige Karte des Mausgehirns dar“, freut sich Cardona vom Cambridge Molecular Biology Laboratory (Vereinigtes Königreich). „Ihre Bedeutung liegt in der Tatsache, dass die Maus das Tier ist, das im Labor am häufigsten als Modell für die Funktionsweise des menschlichen Gehirns und seiner Krankheiten untersucht wird. Von nun an können alle Studien an Mäusen und anderen Arten wie Affen und uns Menschen auf den Schultern dieses neuen Riesen durchgeführt werden“, lobt der Biologe.
Der Neurowissenschaftler Hongkui Zeng erkennt die Schwierigkeiten. „Wir werden in naher Zukunft keine Synapse-zu-Syapse-Karte des menschlichen Gehirns haben. Wir verfügen noch nicht über eine Technologie mit Nanometergenauigkeit, die auf die Größe des menschlichen Gehirns skaliert werden kann. Und der Datensatz wäre so riesig, dass er jetzt kaum noch zu analysieren wäre“, erklärt Zeng, Direktor des Allen Institute for Brain Sciences in Seattle.
Der 1981 verstorbene amerikanische Physiker Emerson Pugh brachte dieses Paradox auf den Punkt: „Wenn das menschliche Gehirn so einfach wäre, dass wir es verstehen könnten, wären wir so einfach, dass wir es nicht verstehen würden.“ Zeng ist nicht so pessimistisch. „Ich glaube, dass wir viele Aspekte der Funktionsweise des menschlichen Gehirns verstehen können, etwa Empfindungen, Bewegungen, verschiedene emotionale Zustände und bestimmte Grade der Intelligenz“, sagt der Forscher.
Die neuen Ergebnisse können in einer öffentlichen Datenbank, dem Allen Atlas of Brain Cells, eingesehen werden. Benutzer können nach bestimmten Zelltypen und deren genauen Standort suchen. Die Autoren argumentieren, dass diese Datenflut dazu beitragen wird, eine Vielzahl von Erkrankungen wie Autismus, Schizophrenie, Multiple Sklerose, Anorexia nervosa und Tabaksucht aufzuklären.
Im Jahr 1891 begann Santiago Ramón y Cajal, kleine Pfeile in seine Zeichnungen von Neuronen einzufügen, um die Richtung zu markieren, in die sich die Informationen ausbreiteten. Cajal postulierte, dass Nervenzellen Impulse über Verzweigungen, sogenannte Dendriten, empfangen und diese über einen verlängerten Fortsatz namens Axon weiterleiten. Er hatte die Grundbestandteile des menschlichen Denkens entdeckt. Sein Schüler Rafael Lorente de No formulierte später die Idee, dass das Gehirn in einer Reihe von Neuronen organisiert ist, die in Schaltkreisen miteinander verbunden sind. Die Ergebnisse dieses Mittwochs umfassen Daten, die vor einem Jahrhundert unvorstellbar waren. Die Mauskarte zeigt, welche Neuronen die Möglichkeit haben, sich mit bestimmten anderen zu verbinden: dem sogenannten Projektom. Es zeigt, „wie sich Informationen im Gehirn verbreiten und dort umgewandelt werden“, wie Cardona es ausdrückte.
Der spanische Neurowissenschaftler Óscar Marín leitet das Zentrum für neurologische Entwicklungsstörungen am King’s College London. Auch er ist optimistisch. „Wir haben immer noch keine vollständige Karte eines Gehirns, aber wir sehen diese Möglichkeit immer näher. Und mit der Zeit werden wir es auch beim Menschen erreichen“, prognostiziert er. Im Jahr 2021 veröffentlichten Forscher der BRAIN-Initiative den ersten Entwurf des Maus-Gehirnzellatlas. Im Oktober dieses Jahres berichtete das Konsortium über die ersten Ergebnisse dieser Techniken am menschlichen Gehirn.
Marín, einer der wenigen spanischen Wissenschaftler der renommierten Royal Society of the United Kingdom, warnt, dass ein einziger Atlas nicht ausreichen wird. „Selbst wenn wir eine vollständige Karte aller Zelltypen im Gehirn erhalten, wird es immer Unterschiede zwischen Individuen derselben Art geben. Ich glaube, dass diese interindividuellen Unterschiede ein wichtiger Teil der Biologie sind, obwohl ich denke, dass wir mit den gleichen in diesen Arbeiten beschriebenen Methoden bald in der Lage sein werden, diese Ergebnisse bei verschiedenen Individuen zu reproduzieren“, sagt Marín. Es gibt kein einziges menschliches Gehirn.
Du kannst Folgen MATERIE In Facebook, X e InstagramKlicken Sie hier, um es zu erhalten Unser wöchentlicher Newsletter.
