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Julich Brain

Kernstück eines 3-D-Atlas des Gehirns veröffentlicht

Ein »Google Earth« für das menschliche Gehirn – so bezeichnet das Portal »Technology Networks (TN)« den ersten 3-D-Atlas des menschlichen Gehirns, den die beteiligten Wissenschaftler »Julich Brain« getauft haben und der die Variabilität menschlicher Hirnstrukturen mit mikroskopischer Auflösung dokumentiert.
Theo Dingermann
03.08.2020  09:52 Uhr

Im Rahmen des Kollaborationsprojektes EBRAINS ist »Julich-Brain« von Deutschen Wissenschaftlern um Professor Dr. Katrin Amunts erarbeitet und in der Zeitschrift »Science« vorgestellt worden. EBRAINS ist eine Plattform, die Werkzeuge und Dienste zur Verfügung stellt, die im Rahmen der modernen Hirnforschung eingesetzt werden können. Diese Plattform hat es sich zum Ziel gesetzt, eine gemeinsame digitale Hirnforschungs-Infrastruktur für die EU aufzubauen. Die Werkzeuge, die hier erarbeitet werden, unterstützen Wissenschaftler bei der Sammlung, Analyse, dem Austausch und der Integration von Gehirndaten sowie bei der Modellierung und Simulation von Gehirnfunktionen.

»Julich-Brain« heißt der erste 3-D-Atlas des menschlichen Gehirns, der die Variabilität der Hirnstruktur mit mikroskopischer Auflösung widerspiegelt. Der Atlas weist nahezu 250 strukturell unterschiedliche Bereiche auf, die jeweils auf der Analyse von zehn Gehirnen basieren. Mehr als 24.000 extrem dünne Hirnschnitte wurden digitalisiert, zu 3-D-Strukturen umgerechnet und von Experten kartiert. Der Atlas dient als Schnittstelle im Rahmen von EBRAINS, um Informationen über das Gehirn auf räumlich präzise Weise zu verknüpfen.

Mehr als ein Vierteljahrhundert Forschung ist in den 3-D-Atlas geflossen. Dutzende von Experten haben im Laufe der Jahre mittels Bildanalyse und mathematischer Algorithmen die Gewebeschnitte ausgewertet und die Grenzen zwischen den Hirnarealen bestimmt, die zusammen eine Länge von fast 2000 Metern ausmachen. Mit »Julich-Brain« präsentieren die Forscher um Amunts nun die umfassendste digitale Karte der zellulären Architektur des Gehirns und stellen sie über EBRAINS weltweit zur Verfügung.

Faszinierende Einblicke

Unter dem Mikroskop sieht man, dass das menschliche Gehirn nicht einheitlich strukturiert ist, sondern in klar unterscheidbare Bereiche unterteilt ist. Diese Bereiche variieren in der Verteilung und Dichte der Nervenzellen und in ihrer Funktion.

Eine Schwierigkeit bei der Realisierung des Projektes bestand darin, dass die verschiedenen Funktionsgebiete von Mensch zu Mensch beispielsweise in Bezug auf Größe und Lage durchaus variieren. Man hat sich daher entschlossen, die Lage und Form der einzelnen Regionen in Form von »Wahrscheinlichkeitskarten« darzustellen. Besonders große Unterschiede fanden die Forscher beispielsweise im Broca-Areal, einer Region der Großhirnrinde, wo das Sprachzentrum lokalisiert ist. Im Gegensatz dazu präsentiert sich das primäre Sehgebiet wesentlich einheitlicher.

Verknüpfung von Struktur und Funktion

Der Hirnatlas soll einen Ausgangspunkt darstellen, um die komplexen Strukturen und Funktionen des menschlichen Gehirns zusammenzuführen. Auf der Basis der kartierten und visualisierten Hirn-Anatomie werden nun weitere Datenblöcke beispielsweise zur Genexpression, zur Konnektivität und zur funktionelle Aktivität miteinander verknüpft, um die Hirnfunktionen und die Mechanismen von Krankheiten noch besser verstehen zu lernen.

Das Atlaskonzept ist dynamisch, das heißt es wird kontinuierlich an die Fortschritte in der Hirnforschung angepasst. Es ist offen verfügbar, um Neurobildgebungsstudien an gesunden Probanden und Patienten sowie Modellierungen und Simulationen zu unterstützen. Und es ist interoperabel, um es mit anderen Atlanten und Quellen zu verknüpfen.

Die EBRAINS-Infrastruktur ermöglicht es auch, die Karten für Simulationen zu nutzen oder künstliche Intelligenz anzuwenden, um den Cross-Talk zwischen den Hirnarealen zu erforschen. Die aus solchen Animationsprojekten resultierenden riesigen Datenmengen werden mit Hilfe der EBRAINS-Rechenplattform verarbeitet. Die dazu erforderliche Rechenleistung stammt aus dem neuen europäischen Supercomputing-Netzwerk FENIX, dem fünf führende Zentren für Hochleistungsrechnen angehören, darunter auch das Julich Supercomputing Center (JSC).

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