Scan bis in die Nervenfasern

Die erste hochauflösende Karte des menschlichen Kortikal-Netzwerkes zeigt, dass das Gehirn über einen zentralen Bereich verfügt, der mit zahllosen anderen Segmenten unseres Denkapparats strukturell verbunden ist. Forscher erstellten die Karte mit einem neuen Verfahren namens Diffusions-Tensor-Bildgebung, das erlaubt, das bislang unzugängliche Gewirr der weißen Substanz zu kartographieren – jene langen, dünnen Fasern, die die Nervensignale zwischen den Zellen transportieren. Forscher hoffen, dass die noninvasive Methode die Nervenverbindungen im Gehirn endlich genauer untersuchbar macht, um so beispielsweise Veränderungen in seinem tieferen Aufbau festzustellen.

"Die Tatsache, dass so ein Kernbereich überhaupt existiert, wirft viele Fragen auf, die wir nun stellen können", sagt Olaf Sporns, Neurowissenschaftler an der Indiana University im amerikanischen Bloomington, Hauptautor der Studie. "Was passiert dort? Und wie steht dieser Bereich mit der Kommunikation der verschiedenen Teile des Gehirns untereinander in Verbindung?"

Herkömmliche bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomographie (MRT) stellen zwar wichtige anatomische Merkmale des Gehirns dar. Die feinere Architektur ließ sich beim Menschen jedoch bislang nicht damit abbilden – also etwa das feine Nervengewebe, das die verschiedenen Teile des Gehirns verbindet. "Das Gehirn, das wir uns seit Jahren mittels MRT oder Computertomographie darstellen lassen, war nie das richtige Gehirn", meint Van Wedeen, Neurowissenschaftler am Massachusetts General Hospital in Boston, der mit Sporns an der Untersuchung arbeitete. "Wir sahen eigentlich nur die Schatten seiner Oberflächen."

Die Diffusions-Tensor-Bildgebung ist eine verbesserte Variante des MRT-Prinzips, das Magnetresonanz-Signale nutzt, um die Bewegungen der Wassermoleküle im Gehirn zu verfolgen. In der grauen Substanz tendiert Wasser dazu, in unterschiedliche Richtungen zu diffundieren. In der weißen Substanz diffundiert es hingegen entlang von Nervenfortsätzen, den Axonen. Diese Difussionswerte lassen sich nutzen, um die Nervenfasern zu kartographieren. Die neueste Variante dieser Difussions-Bildgebeung, genannt Difussions-Spektrum-Analyse, macht noch ein weiteres kleines Wunder möglich: Sie kann die Richtung sich überlappender Nervenfasern ermitteln. "Das ist sehr wichtig, um die Gehirnverbindungen noninvasiv wirklich kartographieren zu können", sagt Wedeen, der die Technik entwickelt hat.

Die beiden Forscher und ihr Team nutzten das bildgebende Verfahren, um das Gehirn von fünf Freiwilligen zu untersuchen. Sie erstellten so eine Karte der gesamten Hirnrinde – inklusive aller Nervenverläufe. Um den Kern des Netzwerkes offenzulegen, nutzte Sporns eine mathematische Technik, mit der schrittweise jene Verbindungspunkte aus dem Bild entfernt wurden, die die wenigsten Verknüpfungen aufwiesen. "Wenn man das graduell macht, erhält man zum Schluss eine Auswahl an Knoten, die besonders stark untereinander vermascht sind."

Der am stärksten verbundene Knoten, den Sporns deshalb den "Kern" taufte, befindet sich im hinteren Teil des Kopfes. Er bildet den kürzesten Weg zwischen vielen verschiedenen Teilen im Nervennetzwerk des Gehirns. "In diesem Bereich bestehen extrem viele Verbindungen, aber die Bedeutung ist auch im Hinblick auf den Rest des Gehirns gegeben", sagt der Forscher. "Studien zu Netzwerken in anderen Bereichen, vom Internet bis zur Interaktion zwischen Proteinen, haben uns gezeigt, dass ein hochgradig vernetzter Knoten sehr bedeutsam ist, um zu bestimmen, was das Netzwerk in seiner Gesamtheit für Aufgaben wahrnimmt."

Ältere Untersuchungen des Gehirns hatten die jetzt als Kern entdeckte Region ebenfallsfür wichtig erklärt: Es ist ein Bereich, der im Hinblick auf den Stoffwechsel besonders aktiv ist. Sichtbar ist dies besonders stark, wenn der Mensch kognitiv ruht, also zwar wach und aufmerksam ist, aber nicht mit einer bestimmten Aufgabe beschäftigt. "Man bezeichnet das als Ruhephase, Tagträumereien oder Selbstreferenzialität", sagt Sporns. Teil der Studie war auch, dass die Forscher mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) den Blutfluss in verschiedenen Bereichen des Gehirns untersuchten. Hier ergab sich ein Zusammenhang zum Kern und wichtigen Schnittpunkten.

Die Forscher wollen ihr bildgebendes Verfahren nun verwenden, um klinische Erkrankungen wie Schizophrenie, Alzheimer oder Autismus zu untersuchen, die allesamt mit Veränderungen in der Gehirnarchitektur in Verbindung stehen. "Wir wüssten gerne, wo diese genau liegen und ob wir basierend auf der Darstellung der Nervenverbindungen etwas Neues lernen können", sagt Sporns.

Bis zum Einsatz bei regulären Patienten muss die Technik allerdings noch weiter verbessert werden. Um genügend Details zu erhalten, dauert die Untersuchung länger, als dies im klinischen Umfeld üblich ist. "Derzeit wäre es noch etwas unpraktisch, eine größere Population damit untersuchen zu wollen", meint Marco Catani, klinischer Neurowissenschaftler am Institute of Psychiatry in London.

Sporns und Wedeen arbeiten aber bereits an einer Verfeinerung ihrer Technik: Mit neuen Messmethoden soll der Störabstand der gewonnenen Daten verbessert werden. Die nun gewonnene Karte der Nervenbahnen sei deshalb nur ein erster von vielen Entwürfen. "Wir sind noch nicht an dem Punkt angelangt, an dem wir das Gehirn so genau sequenzieren könnten, wie man das inzwischen beim menschlichen Genom machen kann", sagt Wedeen. Erst wenn es möglich sei, die Organe des Gehirns zu sehen – also die mehreren Hundert Bereiche der grauen Substanz, deren Funktion man bestimmen kann – könne man letztlich ein Bild vom Gehirn schaffen, das den Ansprüchen der Wissenschaft genüge. (bsc)