Komplexe Schaltzentrale des Körpers - Themenschwerpunkt Gehirn

Do, 23.07.2021 — Redaktion

Seit den Anfängen von ScienceBlog.at gehört das Gehirn zu unseren wichtigsten Themen. Rund 10 % aller Artikel - d.i. derzeit mehr als 50 Artikel - befassen sich mit unterschiedlichen Aspekten zu Aufbau, Funktion, Entwicklung und Evolution des Gehirns und - basierend auf dem Verstehen von Gehirnfunktionen - mit Möglichkeiten bisher noch unbehandelbare Gehirnerkrankungen zu therapieren. Die bisherigen Artikel sind nun in einem Schwerpunkt zusammengefasst, der laufend ein Update erfahren soll.

Vor Verletzungen, Stößen und Erschütterungen durch starke Schädelknochen und die Einbettung ins Hirnwasser (Liquor cerbrosinalis) geschützt, ist das empfindliche, weiche Gehirn ununterbrochen damit beschäftigt Wahrnehmungen und Reize aus der Umwelt und aus dem Körper zu verarbeiten. Rund 86 Milliarden unterschiedliche Neuronen (die meisten davon im Kleinhirn) sind über 1000 Billionen Synapsen verkabelt; die entsprechenden Nervenfasern weisen insgesamt eine Länge von über 5 Millionen km auf. Sie bestimmen was wir wahrnehmen, was wir fühlen, was wir denken, woran wir uns erinnern, wie wir lernen und wie wir schlussendlich (re)agieren.

Die zweiten zellulären Hauptkomponenten des Gehirns-zahlenmäßig etwa gleich viele wie Neuronen - sind unterschiedliche Typen sogenannter Gliazellen. Ursprünglich als inaktiver Kitt zwischen den Neuronen betrachtet, weiß man nun, dass Gliazellen wesentlich in die Funktion des Gehirns involviert sind - Oligodendrozyten in die Ausbildung der Myelinscheide, die als Isolator die Axone ummantelt, Mikroglia fungieren als Immunabwehr, Astrozyten regulieren u.a. das Milieu im extrazellulären Raum.

Neue Verfahren

haben in den letzten Jahrzehnten der Hirnforschung einen außerordentlichen Impetus gegeben. Mit Hilfe bildgebender Verfahren und hochsensitiver Färbetechniken ist es nun möglich, den Verlauf einzelner Neuronen samt aller ihrer Verbindungen und dies auch dynamisch zu verfolgen. (Dazu im ScienceBlog: Das Neuronengeflecht entwirren - das Konnektom)

Abbildung 1. Reise durch das menschliche Gehirn - Visualisierung des Verlaufs von Nervenbahnen mittels Diffusions Tensor Traktographie (ein Kernspinresonanz-Verfahren, das die Diffusionsbewegung von Wassermolekülen in Nervenfasern misst). Oben: Nervenfaserbündel im Limbischen System (links) und visuelle Nervenfasern von den Augen zum Hinterhauptslappen (rechts).Unten: Nervenbündel des Corpus callosum (grün, links), die die Kommunikation zwischen den Hirnhälften ermöglichen und viele Nervenbündel, die kortikale und subkortikale Regionen verbinden (links, rechts). Screen Shots aus einem preisgekrönten Video. Die Farben zeigen den Verlauf der Nervenfasern(Hauptrichtung der Diffusion); rot: von links nach rechts, grün: von vorn nach hinten, blau: von oben nach unten. (Quelle: Francis S. Collins (2019) https://directorsblog.nih.gov/2019/08/20/the-amazing-brain-mapping-brain-circuits-in-vivid-color/*)

Beispielsweise ist die Diffusions Tensor Traktographie ein Kernspinresonanz-Verfahren, das die Diffusionsbewegung von Wassermolekülen in Nervenfasern, d.i. in den Axonen, misst und so deren Position und Verlauf dreidimensional abbilden kann, also von wo nach wo Informationen fließen können. Das nicht-invasive Verfahren liefert sowohl der Grundlagenforschung (u.a. im Connectome-Projekt) als auch der medizinischen Anwendung - hier vor allem zur präoperativen Bildgebung von Gehirntumoren und Lokalisierung von Nervenschädigungen - grundlegende Informationen. Abbildung 1.

Optogenetik - von der Zeitschrift Nature als Methode des Jahres 2010 gefeierte Strategie - benutzt Licht und genetisch modifizierte, lichtempfindliche Proteine als Schaltsystem, um gezielt komplexe molekulare Vorgänge in lebenden Zellen und Zellverbänden bis hin zu lebenden Tieren sichtbar zu machen und zu steuern. (Dazu im ScienceBlog: Optogenetik erleuchtet Informationsverarbeitung im Gehirn)

Mit Hilfe der Positronenemissionstomographie (PET) kann nichtinvasiv der Hirnstoffwechsel dargestellt und krankhafte Veränderungen mittels der gleichzeitig durchgeführten Computertomographie (CT) lokalisiert werden.

Internationale Großprojekte

Eine enorme Förderung hat die Hirnforschung durch längerfristige internationale Initiativen erfahren wie das von 2013 bis 2022 laufende europäische Human Brain Project , für das rund 1,2 Milliarden € veranschlagt sind und an dem mehr als 500 Wissenschafter von über 140 Universitäten und anderen Forschungseinrichtungen zusammenwirken (https://www.humanbrainproject.eu/en/about/overview/). Das Ziel ist das gesamte Wissen über das menschliche Gehirn zusammenzufassen und es mittels Computermodellen auf allen Ebenen von Molekülen, Genen, Zellen und Funktionen nachzubilden. In der nun angelaufenen letzten Phase des Projekts sollen vor allem die Netzwerke des Gehirns, deren Rolle im Bewusstsein und künstliche neuronale Netzwerke im Fokus stehen.

Abbildung 2. "Neuroscience Fireworks". Zur Feier des „Independence Day“ in den US am 4. Juli zeigt Francis S. ein Feuerwerk von Neuronen in verschiedenen Hirnarealen der Maus. Mittels Lichtscheibenfluoreszenzmikroskopie wird eine 3D-Auflösung in zellulärem Maßstab erreicht: man sieht die rundlichen Zellkörper und die davon ausgehenden Axone, welche die Signale weiterleiten. Links oben: Der Fornix - Nervenfasern, die Signale vom Hippocampus (Sitz des Gedächtnisses) weiterleiten. Rechts oben: Der Neocortex - Zellen im äußeren Teil der Großhirnrinde, die multisensorische, mechanische Reize weitergeben . Links unten: Der Hippocampus - die zentrale Schaltstelle des limbischen Systems. Rechts unten: Der corticospinale Trakt, der motorische Signale an das Rückenmark weiterleitet. (Quelle: Video von R. Azevedo, S. Gandhi, D. Wheeler in https://directorsblog.nih.gov/2021/06/30/celebrating-the-fourth-with-neuroscience-fireworks/*).

Eine weiteres, mit 1,3 Milliarden $ gefördertes 10-Jahres Programm ist The Brain Initiative https://braininitiative.nih.gov/ . Es wird von den US National Institutes of Health (NIH) realisiert und läuft von 2016 bis 2025. In den ersten Jahren wurde hier der Fokus auf neue Technologien gelegt, die nun angewandt werden, um die Aktivitäten aller Zellen im lebenden Hirn zu erfassen, die biologische Basis mentaler physiologischer und pathologischer Prozesse zu verstehen und darauf aufbauend therapeutische Anwendungen für bislang unbehandelbare Hirnerkrankungen zu schaffen.

Francis S. Collins, Direktor der NIH, hat in seinem Blog kürzlich ein faszinierendes Video gepostet, das Lichtscheibenfluoreszenzmikroskopie anwendet (für hohe Auflösung werden dabei nur sehr dünne Gewebeschichten ausgeleuchtet), um Neuronen in verschiedenen Gehirnarealen der Maus darzustellen. Abbildung 2 zeigt einige Screenshots dieser "Neuroscience Fireworks" (Collins).

Ein Meilenstein wurde kürzlich im Allen Institute for Brain Science in Seattle erreicht: Ein Kubikmillimeter Mäusehirn mit rund 100 000 Neuronen und 1 Milliarde Synapsen wurde anhand von mehr als 100 Millionen Bildern digitalisiert und kartiert.

*Die Wiedergabe von im NIH Director’s Blog erschienenen Artikeln/Inhalten von Francis S.Collins wurde ScienceBlog.at von den National Health Institues (NIH) gestattet.

Das Gehirn - Artikel im ScienceBlog

Nora Schultz, 20.02.2020: Die Intelligenz der Raben

Körper - Hirn

Francis S. Collins, 15.07.2016: Die Muskel-Hirn Verbindung: Training-induziertes Protein stärkt das Gedächtnis

Nora Schultz, 31.10.2019: Was ist die Psyche

Ilona Grunwald Kadow, 11.05.2017: Wie körperliche Bedürfnisse und physiologische Zustände die sensorische Wahrnehmung verändern

Francis S. Collins, 17.10.2019: Projektförderung an der Schnittstelle von Kunst und Naturwissenschaft: Wie trägt Musik zu unserer Gesundheit bei?

Jochen Müller, 19.11.2020: Warum essen wir mehr als wir brauchen?

Francis S. Collins, 25.01.2018: Primäre Zilien auf Nervenzellen- mögliche Schlüssel zum Verständnis der Adipositas

Nora Schultz, 02.06.2018: Übergewicht – Auswirkungen auf das Gehirn

Redaktion, 29.06.2017: Mütterliches Verhalten: Oxytocin schaltet von Selbstverteidigung auf Schutz der Nachkommen

Schmerz

Gottfried Schatz, 30.8.2012: Grausamer Hüter — Wie uns Schmerz schützt – oder sinnlos quält

Nora Schultz, 10.11.2016: Vom Sinn des Schmerzes

Manuela Schmidt, 06.05.2016: Proteinmuster chronischer Schmerzen entziffern

Susanne Donner, 16.02.2017: Placebo-Effekte: Heilung aus dem Nichts

Schlaf

Henrik Bringmann, 25.05.2017: Der schlafende Wurm

Niels C. Rattenborg, 30.08.2018: Schlaf zwischen Himmel und Erde

Sinneswahrnehmung

Dazu existiert ein eigenerSchwerpunkt: Redaktion, 25.04.2014: Themenschwerpunkt: Sinneswahrnehmung — Unser Bild der Aussenwelt

Susanne Donner, 11.01.2018: Wie real ist das, was wir wahrnehmen? Optische Täuschungen

Michael Simm, 24.01.2019: Clickbaits - Köder für unsere Aufmerksamkeit

Erkrankungen

Francis S. Collins, 14.02.2019: Schlaflosigkeit fördert die Ausbreitung von toxischem Alzheimer-Protein

Inge Schuster, 24.06.2016: Ein Dach mit 36 Löchern abdichten - vorsichtiger Optimismus in der Alzheimertherapie

Francis S. Collins, 27.05.2016: Die Alzheimerkrankheit: Tau-Protein zur frühen Prognose des Gedächtnisverlusts

Gottfried Schatz, 03-07.2015: Die bedrohliche Alzheimerkrankheit — Abschied vom Ich

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Redaktion, 22.03.2018: Schutz der Nervenenden als Strategie bei neuromuskulären Erkrankungen

Ricki Lewis, 02.11.2017: Ein modifiziertes Poliovirus im Kampf gegen bösartige Hirntumoren

Gottfried Schatz, 26.07.2012: Unheimliche Gäste — Können Parasiten unsere Persönlichkeit verändern?

Nora Schultz, 15.12.2017: Multiple Sklerose - Krankheit der tausend Gesichter

Francis S. Collins, 15.01.2021: Näher betrachtet: Auswirkungen von COVID-19 auf das Gehirn

Hans Lassmann, 14.07.2011: Der Mythos des Jungbrunnens: Die Reparatur des Gehirns mit Stammzellen

Entwicklung, Evolution

Nora Schultz, 11.06.2020: Von der Eizelle zur komplexen Struktur des Gehirns

Susanne Donner, 05.08.2016: Wie die Schwangere, so die Kinder

Nora Schultz, 19.08.2017: Pubertät - Baustelle im Kopf

Redaktion, 03.08.2017: Soll man sich Sorgen machen, dass menschliche "Mini-Hirne" Bewusstsein erlangen?

Georg Martius, 09.08.2018: Roboter mit eigenem Tatendrag

Nora Schultz, 25.10.2018: Genies aus dem Labor

IngeSchuster, 12.12.2019; Transhumanismus - der Mensch steuert selbst siene Evolution

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Philipp Gunz, 24.07.2015: Die Evolution des menschlichen Gehirns

Philipp Gunz, 11.10.2018: Der gesamte afrikanische Kontinent ist die Wiege der Menschheit

Christina Beck, 20.05.2021: Alte Knochen - Dem Leben unserer Urahnen auf der Spur

Weiterführende Links

dasGehirn.info (https://www.dasgehirn.info/) eine exzellente deutsche Plattform mit dem Ziel "das Gehirn, seine Funktionen und seine Bedeutung für unser Fühlen, Denken und Handeln darzustellen – umfassend, verständlich, attraktiv und anschaulich in Wort, Bild und Ton." (Es ist ein Projekt der Gemeinnützigen Hertie-Stiftung und der Neurowissenschaftlichen Gesellschaft e.V. in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Kunst und Medientechnologie Karlsruhe). Einige Videos von dieser Plattform:

Das Connectome. dasGehirnInfo. Video 7:08 min. 01.05.2021. https://www.youtube.com/watch?v=puiEfrzRTto
Neuron ≠ Neuron. das Gehirn.info. Video 4:41 min. 1.12.2020. https://www.youtube.com/watch?v=fel3lOrPXpQ&t=252s
Die Welt der Gliazellen. das Gehirn.info. Video 3:37 min. https://www.youtube.com/watch?v=BGUpadTW3DE

The Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies^® (BRAIN) https://braininitiative.nih.gov/ Initiative is aimed at revolutionizing our understanding of the human brain