Rekonstruktion von Nervenzellen

Foto: Computerrekonstruktion von Nervenzellen

Rund 70 Milliarden Nervenzellen, Hunderttausende von Kilometern Leitungsbahnen. Das menschliche Gehirn ist so komplex, dass es lange Zeit unmöglich schien, dieses Netzwerk im Detail abzubilden. Denn jedes einzelne dieser Neurone ist über fein verästelte Fortsätze, die Dendriten und Axone, mit etwa eintausend anderen Nervenzellen verbunden, mit denen es über elektrische Signale kommuniziert.

Die Verschaltungen zwischen den Zellen sind entscheidend für die Funktion des Gehirns. Um dessen Funktionsweise zu erforschen, wollen Neurowissenschaftler daher die Struktur dieser Nervennetze – das Konnektom – aufklären und in einer dreidimensionalen Karte darstellen. Weil dieser Aufgabe bisher kein Computer gewachsen ist, sind sie bei der Rekonstruktion auf das menschliche Auge angewiesen. Doch die schiere Zahl an Zellverbindungen, die selbst in einem winzigen Gewebestück vorhanden sind, lässt das Unterfangen aussichtslos erscheinen – es sei denn, man verteilt es auf viele Schultern.

Wissenschaftler am MPI für medizinische Forschung in Heidelberg haben diese Vorgehensweise nun mit Erfolg getestet: Dazu haben sie eine spezielle Software namens RESCOP entwickelt, die die Ergebnisse vieler Beobachter zu einem Gesamtbild zusammenfasst. Mit der Unterstützung von mehr als 70 Studenten der Heidelberger Universität haben sie so den Verbund von über 100 Nervenzellen aus einem Stück Netzhaut des Auges in allen Einzelheiten rekonstruiert. Das untersuchte Gewebestück war dabei nicht größer als ein Sandkorn. Um die Verbindungen zwischen den Nervenzellen zu verfolgen, haben die Studenten das Computerprogramm KNOSSOS verwendet, welches das Heidelberger Team entwickelt hat.

Die Software verkürzt die benötigte Zeit beträchtlich: Verglichen mit den bisher verwendeten Programmen ist die Methode etwa 50mal schneller. Mithilfe von RESCOP ist es nun außerdem möglich, dass Dutzende Personen gleichzeitig an der Rekonstruktion mitarbeiten. Die Rekonstruktion ist damit nicht nur schneller, sondern auch zuverlässiger als bisher.

„Die neuen Programmen könnten es uns erstmals ermöglichen, das komplizierte Nervennetzwerk des Gehirns zu entwirren – eine Aufgabe, noch wesentlich komplexer als die Entschlüsselung des menschlichen Genoms“, sagt Winfried Denk, einer der Projektleiter. Als Nächstes wollen die Wissenschaftler ein Stück der Großhirnrinde rekonstruieren, denn dort finden alle wichtigen geistigen Prozesse statt.

COMPAMED.de; Quelle: Max-Planck-Institut für medizinische Forschung