Ein revolutionärer neuer digitaler 3D-Gehirnatlas

Stellen Sie sich vor, Sie könnten in das Gehirn hineinzoomen, um verschiedene Zellen zu sehen, so wie wir in Google Maps der Welt zoomen und Häuser auf einer Straße sehen können. Und denken Sie daran, dass das Gehirn mit 86 Milliarden Neuronen als die komplexeste Struktur des Universums gilt. Das Heranzoomen ist jetzt dank eines neuen Gehirnatlas mit noch nie dagewesener Auflösung möglich. BigBrain ist das erste 3D-Mikrostrukturmodell des gesamten menschlichen Gehirns und steht Forschern weltweit kostenlos und öffentlich zur Verfügung. Die Ergebnisse des BigBrain-Modells, das am Montreal Neurological Institute and Hospital – The Neuro, McGill University – in Zusammenarbeit mit Forschern des Forschungszentrums Jülich, Deutschland, erstellt wurde, werden heute in der Science-Ausgabe vom 20. Juni veröffentlicht (https://www.sciencemag.org/content/340/6139/1472).


Gehirnmodell

Modell des menschlichen Gehirns. Bildnachweis:Shutterstock/cesc_assawin

„Der BigBrain-Atlas bietet eine nahezu zelluläre Auflösung, d. h. Details auf Zellebene, eine Fähigkeit, die für das menschliche Gehirn in 3D bisher nicht verfügbar war“, sagt Dr. Alan Evans, Forscher bei The Neuro, Mitbegründer des International Consortium for Brain Mapping und Mitgestalter des Atlas. „Um BigBrain in einen Kontext zu setzen, können wir heutige MRTs in Betracht ziehen, die eine räumliche 3D-Auflösung von 1 mm haben. Im Vergleich dazu ist der BigBrain-Datensatz in jeder Dimension 50-mal kleiner und bietet eine unübertroffene räumliche Auflösung. Der BigBrain-Datensatz ist 125.000 mal (50 x 50 x 50) größer als ein typisches MRT und hat ein Volumen von 1 Terabyte, was 1000 GB entspricht.“ Forscher weltweit können Hirnschnitte von der BigBrain-Website bigbrain.loris.ca herunterladen. Big Brain wird aus 7404 histologischen Hirnschnitten rekonstruiert, die für Zellkörper gefärbt und dann digitalisiert wurden, wobei die jüngsten Fortschritte bei den Rechenkapazitäten, der Analyse von Gehirnbildern und der Erfahrung der Teams bei der Verarbeitung kompletter histologischer Abschnitte des Gehirns genutzt werden.


Der Auflösungsfortschritt ist analog zum Übergang von älteren Linienkarten zu Google-Satellitenbildern. Das Zoomen in ältere Karten liefert keine weiteren Details oder Informationen. Ebenso liefert das Zoomen in einen MRT-Scan keine weiteren Details – es zeigt nur die blockige 1-mm-Pixelierung. Der BigBrain-Gehirnatlas ist das Äquivalent zu Google Street View. Das Heranzoomen bietet eine neue Informationsebene, die bisher in 3D nicht angeboten wurde.

Aktuelle Atlanten basierend auf histologischen Schnitten sind in 2D. BigBrain definiert diese traditionellen neuroanatomischen Karten wie die von Brodmann neu, indem es mithilfe vollautomatischer 3D-Techniken eine Ultraansicht des Gehirns bietet. Atlanten, die auf MRTs basieren, erlauben keine Integration von Informationen auf der Ebene von kortikalen Schichten, Spalten, Mikroschaltungen oder größeren Zellen. BigBrain ermöglicht es Forschern, mit einer Auflösung von 20 Mikrometern (1000 Mikrometer in einem Millimeter) im gesamten Gehirn zu sehen.

Die Auswirkungen von BigBrain auf die Erforschung und Analyse des menschlichen Gehirns sind unzählig. Es kann verwendet werden, um Daten aus einer Vielzahl von Modalitäten zu integrieren und zu korrelieren: genetische, molekulare Neurowissenschaften, elektrophysiologische und pharmakologische unter vielen. Es wird die Computermodellierung zur Simulation von Gehirnfunktionen, normaler Entwicklung und krankheitsbedingter Degeneration ermöglichen und beschleunigen. BigBrain wird die Bedeutung und Interpretation von niedrigaufgelösten dynamischen In-vivo-Daten, die durch MRT und PET gewonnen wurden, erheblich verbessern, indem es die Daten mit der enormen Detail- und räumlichen Auflösung des statischen BigBrain-Atlas kombiniert. Es wird neurochirurgische Verfahren verbessern, beispielsweise das Einsetzen von Tiefenhirnstimulatoren, und die klinische Forschung voranbringen, beispielsweise die Lokalisierung des Ortes einer hartnäckigen Epilepsie auf bestimmte spezifische Arten von Nervenzellen.

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