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Google veröffentlicht die bisher größte hochauflösende Karte der Gehirnkonnektivität

Von Johanna Schaleen

Veröffentlicht am 09.01.2020

Wissenschaftler von Google und dem Janelia Research Campus in Virginia haben die größte hochauflösende Karte der Konnektivität des Gehirns bei einem Tier veröffentlicht und ein 3D-Modell veröffentlicht, das 20 Millionen Synapsen nachzeichnet, die etwa 25.000 Neuronen im Gehirn einer Fruchtfliege verbinden.

Das Modell ist ein Meilenstein auf dem Gebiet der Konnektomik, die detaillierte bildgebende Verfahren einsetzt, um die physikalischen Bahnen des Gehirns abzubilden. Diese als „Konnektom“ bezeichnete Karte deckt etwa ein Drittel des Gehirns der Fruchtfliege ab. Bislang wurde nur bei einem einzigen Organismus, dem Fadenwurm C. elegans, das Gehirn auf diese Weise vollständig kartiert.

Die Konnektomik hat einen gemischten Ruf in der wissenschaftlichen Welt. Befürworter argumentieren, dass sie hilft, physische Teile des Gehirns mit bestimmten Verhaltensweisen zu verbinden, was ein wichtiges Ziel der Neurowissenschaften ist. Aber Kritiker merken an, dass sie noch keine großen Durchbrüche hervorgebracht hat, und sie sagen, dass die mühsame Arbeit der Kartierung von Neuronen Ressourcen verschlingt, die besser an anderer Stelle verwendet werden könnten.

„Die Rekonstruktion ist zweifellos ein technisches Wunderwerk“, sagte Mark Humphries, Neurowissenschaftler an der Universität von Nottingham, gegenüber TECH-ONE. Aber, sagte er, es ist auch in erster Linie eine Ressource für andere Wissenschaftler, die jetzt zu verwenden. „Es wird an sich keine drängenden wissenschaftlichen Fragen beantworten; aber es könnte einige interessante Rätsel aufwerfen.“

Die 3D-Karte, die von Google und dem FlyEM-Team in Janelia erstellt wurde, ist sicherlich eine technische Errungenschaft, das Produkt sowohl von automatisierten Methoden als auch von mühsamer menschlicher Arbeit.

Der erste Schritt bei der Erstellung der Karte bestand darin, Abschnitte des Fruchtfliegengehirns in Stücke zu schneiden, die nur 20 Mikrometer dick sind, also etwa ein Drittel so breit wie ein menschliches Haar. Fruchtfliegen sind ein häufiges Thema in der Konnektomik, da sie relativ einfache Gehirne von der Größe eines Mohnsamens haben, aber komplexe Verhaltensweisen wie Balztänze zeigen.

Diese Hirnscheiben werden dann durch Beschuss mit Elektronenströmen aus einem Rasterelektronenmikroskop abgebildet. Die resultierenden Daten umfassen etwa 50 Billionen 3D-Pixel oder Voxel, die mit einem Algorithmus verarbeitet werden, der die Bahnen jeder Zelle nachzeichnet.

Trotz der algorithmischen Fähigkeiten von Google war noch viel menschliche Arbeit nötig, um die Arbeit der Software zu überprüfen. Das Unternehmen sagt, dass es zwei Jahre und Hunderttausende von Stunden dauerte, bis die Wissenschaftler in Janelia die 3D-Karte „korrekturgelesen“ hatten, indem sie den Weg jeder der 20 Millionen chemischen Synapsen mithilfe von Virtual-Reality-Headsets und spezieller 3D-Bearbeitungssoftware überprüften.

Selbst dann deckt die resultierende Karte nur einen Teil des Gehirns der Fruchtfliege ab, das so genannte Hemibrain. Insgesamt enthält das Gehirn einer Fruchtfliege 100.000 Neuronen, während ein menschliches Gehirn etwa 86 Milliarden hat. Das zeigt, wie weit wir davon entfernt sind, ein vollständiges Konnektom unserer eigenen neuronalen Bahnen zu erstellen.

Joshua Vogelstein, ein biomedizinischer Ingenieur und Mitbegründer des Open Connectome Project, sagte gegenüber TECH-ONE, dass die Arbeit ein Segen für die Wissenschaftler sein würde. Vogelstein sagte, dass im kommenden Jahrzehnt die Daten, die von solchen Projekten geliefert werden, endlich anfangen würden, Ergebnisse zu liefern.

„Ich glaube, die Leute waren ungeduldig darüber, was [Connectome] liefern würde“, sagte Vogelstein. „Die Zeitspanne zwischen der Einführung einer guten Technologie und der eigentlichen wissenschaftlichen Arbeit mit dieser Technologie beträgt oft etwa 15 Jahre. Jetzt ist es 15 Jahre später und wir können mit der Wissenschaft beginnen.“

Google und das FlyEM-Team haben die gesammelten Daten für jedermann zum Ansehen und Herunterladen zur Verfügung gestellt. Die Gruppe hat außerdem ein Preprint-Papier veröffentlicht, in dem sie ihre Methodik beschreibt, und kündigt an, dass sie in den kommenden Wochen weitere Papiere über ihre Arbeit veröffentlichen wird.