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Gesundheit – 21.06.2013

BigBrain: Google-Maps für das Gehirn

Wohin nur mit den Daten? Diese Frage beschäftigt bereits ambitionierte Hobbyfotografen. Denn die aktuelle Generation von Digitalkameras liefert Daten im zehnstelligen Megapixelbereich. Da kann es schnell eng werden auf der Festplatte, und bei der Bildbearbeitung geht der Rechner schon einmal in die Knie. Ähnliche Probleme, wenn auch auf einem höheren Niveau, hatte das BigBrain-Projekt zu meistern. Die einzelnen Bilder hatten eine Größe von bis zu 13.000 Mal 11.000 Pixel und der Rechner am Forschungszentrum Jülich musste insgesamt 7.400 Bilder bearbeiten. Das ergab eine Gesamtdatenmenge von etwa einem Terabyte.

Bei den Bildern handelte es sich um die Hirnschnitte einer Frau, die im Alter von 65 Jahren gestorben war. Nach der Konservierung in Paraffin hatte ein Mikrotom das Gehirn in 20 Mikrometer dicke Schichten zerlegt. Allein das Einscannen dauerte mehr als 1.000 Stunden, wie Katrin Amunts vom Forschungszentrum Jülich in Science (2013; 340: 1472-1475) berichtet. Am Rechner mussten dann manuell mit einer Bildbearbeitungssoftware die Risse und Falten beseitigt werden, die sich beim Schneiden ergeben hatten, und manchmal wurden auch fehlende Stellen ergänzt. Am Ende musste der Rechner die Schnittbilder zu einer dreidimensionalen Datei fusionieren. Hier geriet die „Petaflop“-Architektur dann wohl an die Grenzen des Rechners.

Denn aus wissenschaftlicher Sicht wäre statt einer Auflösung von 20 Mikrometer eine Darstellung im 1-Mikrometer-Bereich wünschenswert gewesen, wie sie chinesische Forscher vor drei Jahren bei der Maus erreicht hatten (Science 2010; 330: 1404-1408). Dann hätten auch die einzelnen Hirnzellen, deren Zellkörper zwischen 5 und mehr als 100 Mikrometer groß sind, dargestellt werden können.   

Doch das Gehirn ist beim Menschen 7.500 Mal größer als bei der Maus, und die Datenmenge hätte die Möglichkeiten des Rechners überfordert. So bleibt es bei der allerdings sehr genauen Darstellung der einzelnen Zellschichten, die neue Einblicke in den normalen Aufbau des Gehirns versprechen. Die Ergebnisse werden demnächst im Netz zu bestaunen sein, wenn auch nur für registrierte Nutzer auf einem Server des Montreal Neurological Institute und des Forschungszentrums Jülich.

Die Auflösung ist übrigens 50 Mal höher als in der Kernspintomographie, und jede Schicht enthält aufgrund der 3-Dimensionalität 125.000 (50 mal 50 mal 50) Mal mehr Informationen. Dafür gibt es den Atlas jedoch nur von einem einzelnen Gehirn. Von ihrem Ziel, das komplette menschliche Gehirn von der molekularen Ebene bis hin zur Interaktion ganzer Hirnregionen zu simulieren, sind die Forscher sicherlich noch weit entfernt.

Der schwierigste Teil der Arbeit wird darin bestehen, die Verschaltungen der etwa 86 Milliarden Nervenzellen zu verstehen, die das menschliche Gehirn in einem Volumen von nur 1400 bis 1600 Kubikzentimeter unterbringt. Hier stößt die Neuroanatomie schnell an ihre Grenzen. Die meisten Einsichten lieferten in den letzten Jahren funktionelle Aufnahmen mit der Kernspintomographie. Der Neuroanatom kann lediglich prüfen, ob die dort beobachteten Ergebnisse auch anatomisch plausibel sind.


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