Gene beeinflussen Größe von Hirnstrukturen

Das größte Gemeinschaftsprojekt, das es in der Neurowissenschaft je gab, zeigt neue Zusammenhänge zwischen Genom und der Entwicklung des Hirns. Vor allem aber verspricht es Potenzial für die weitere Forschung.

Ein großes Netzwerk aus Neurowissenschaftlern und Ärzten hat 30.000 Hirnscans mit der DNA von Personen verglichen und festgestellt: Es scheint mehrere Gene zu geben, die Einfluss auf die Größe von bestimmten Strukturen im Hirn und auch auf das Volumen des gesamten Organs haben.

Die medizinische Bedeutung dieser Erkenntnisse ist noch längst nicht klar. Nach Angaben des Forscherkonsortiums, das sich Enigma nennt, demonstriert die aktuelle Arbeit vor allem eine neuartige Strategie für verteiltes Computing, mit der sich enorme Mengen an MRT-Bildern und DNA-Testergebnissen analysieren lassen. „Enigma schaut sich jeden Pixel jedes Hirnscans an und vergleicht ihn mit jedem Genom“, sagt der Neurowissenschaftler Paul Thompson, der das Projekt organisiert hat. „Wir haben dargelegt, wie man dabei vorgeht.“

Thompson leitet das Imaging Genetics Center an der University of California. Nach seinen Worten ist Enigma das größte Gemeinschaftsprojekt, das es in der Hirnforschung je gegeben hat. Die jetzt in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie nennt 287 Autoren und 193 Institutionen. In ihrem Rahmen wurden 30.717 Hirnscans sowie DNA-Informationen aus den Beständen von Forschern in Kambodscha, Südafrika, den USA und weiteren Ländern analysiert.

MRT-Scans sind teuer, und ihre Analyse bedeutet viel Rechenaufwand. Vor allem in Kombination mit DNA-Informationen sind die dabei anfallenden Datenmengen so hoch, dass sie nicht mehr einfach über das Internet ausgetauscht werden können; manchmal ist dies aus Datenschutzgründen auch gar nicht länderübergreifend zulässig. Das Konsortium löste dieses Problem mit einem verteilten Ansatz, bei dem alle beteiligten Zentren ihre Bilder vor Ort mit denselben Algorithmen verarbeiteten. Anschließend wurden alle Erkenntnisse zusammengenommen und gewichtet.

Bislang haben große Studien, die Zusammenhänge zwischen Genen und Krankheiten erkennen lassen sollten, in der Neurowissenschaft wenig erreicht. Für einige verbreitete Krankheiten wie Depressionen gibt es noch keinerlei überzeugende Verbindungen zur DNA. Statt aufzugeben versuchen einige Forscher jedoch, den Umfang ihrer Studien mit neuen Methoden drastisch zu erhöhen. Im Fall von Enigma geschah das über ein „Crowdsourcing“ der Analyse von bestehenden MRT-Scans. „Es gibt Hirnbilder zu vielen Typen von Alzheimer, Schizophrenie und Autismus, die über Jahrzehnte gesammelt wurden. Es liegen astronomisch viele Daten vor, die bislang in irgendwelchen Silos verschwanden“, sagt Thompson.

Der Big-Data-Ansatz ist in Mode. Im vergangenen Jahr gewährten die National Institutes of Health (NIH) der USA Enigma und anderen Zentren 32 Millionen Dollar. Insgesamt soll in den nächsten sieben Jahren mehr als eine halbe Milliarde Dollar in neue Methoden zur Nutzung biologischer Daten fließen. Mittlerweile sei nicht mehr das Sammeln von Daten der „Engpass“ für die Forschung, sondern ihre Analyse, sagte Mark Guyer, Berater für das NIH-Programm, vergangenen Monat in einem Interview.

Enigma konnte auf bestehende Hirnscans im Wert von 30 Millionen Dollar (unter der Annahme von 1000 Dollar Kosten pro Stück) zurückgreifen, die von Personen im Alter von 9 bis 96 Jahren stammten. Durch Vergleiche der Scans mit der DNA dieser Personen konnten die Enigma-Forscher nach eigenen Angaben acht Regionen im Genom finden, die entweder die Gesamtgröße des Hirn beeinflussen oder das Volumen von Unterstrukturen.

Die stärksten Zusammenhänge zeigten sich im Putamen, einem Teil des Hirns, der Lernen und Bewegungen beeinflusst: Bei Personen mit Parkinson oder der Huntington’schen Krankheit fällt er laut Thompson deutlich kleiner aus. Bei Personen mit zwei der identifizierten Genvarianten war die Struktur laut der Studie im Durchschnitt 2,8 Prozent kleiner.

Trotz des Umfangs des Projekts ließ sich die Größe der Hirnstrukturen nicht mit psychiatrischen Erkrankungen in Zusammenhang bringen. Laut Thompson gibt es jedoch Hinweise in diese Richtung. „So einfach, dass ein bestimmtes Gen ein kleineres Putamen und damit eine Krankheit bedeutet, ist es wohl nicht. Aber die Gene dürften beeinflussen, wie viele Zellen man hat und wie sie an die richtigen Stellen kommen“, sagt er. „Es ist entscheidend, den Aufbau zu kennen.“

Für Kritiker zeigt Enigma die typischen Schwächen von aufwendiger, auf Mathematik basierender Biologie, die sich auf relativ leicht in Computer einspeisbare Daten konzentriert. Evan Charney, Associate Professor am Duke Institute for Brain Sciences, bezeichnet die Studie als „deprimierend“: Sie spiele Lebensereignisse und Umwelteinflüsse wie Sport und Stress herunter, die ebenfalls Einfluss auf die Hirnanatomie hätten. „Nichts davon hat in den Analysen der Autoren irgendeine Rolle gespielt“, sagt er.

Thompson ist nach eigenem Bekunden überzeugt, dass neue Daten und neue mathematische Verfahren irgendwann auch in der Neurowissenschaft Durchbrüche bringen werden; so sei es schon in anderen Fachgebieten gewesen, etwa bei Sprachverarbeitung oder beim Knacken von Nazi-Codes im Zweiten Weltkrieg, von dem das Konsortium seinen Namen hat. Bislang habe es fast als „Ketzerei“ gegolten, auch nur die Idee zu äußern, Genvarianten könnten mit dem zusammenhängen, was auf MRT-Bildern zu sehen ist. „Man werde niemals die Auswirkungen persönlicher Genome in Hirnscans erkennen können, hieß es“, sagt Thompson.

(sma)