Nerven-Schaltplan Ein neues Bild vom Gehirn

Die Nervenfasern verlaufen im Gehirn des Menschen nicht kreuz und quer, sondern nur in parallelen und dazu senkrecht stehenden Bündeln. Der Schaltplan des Gehirns besteht somit aus einem vergleichsweise schlichten und gradlinigen geometrischen Gitter, das sich mit weichem Schwung von links nach rechts, von oben nach unten und von vorne nach hinten durchs Gehirn zieht.

Es gibt in diesem Gitter keine diagonal angelegten Nervenfasern. Diese Anordnung lasse sich am ehesten mit den Schuss- und Kettfäden eines gewebten Textils vergleichen, kommentiert Van Wedeen vom Massachusetts General Hospital in Boston die von ihm und seinen Kollegen in Science veröffentlichten Ergebnisse zur Struktur des neuronalen Schaltplans (Bd. 335, S. 1628). Der weiche Schwung des Nervenfasergitters gleiche auch dem geschmeidigen Fall des Stoffes, so der Wissenschaftler in einer Erklärung weiter.

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Andere Primaten ordnen ihre Nervenfasern in ähnlicher Weise an wie der Mensch. Wedeen und seine Kollegen konnten zeigen, dass Rhesusaffen, Nachtaffen und Krallenaffen die gleiche Gitterstruktur verwenden. Diese Anordnung scheint offensichtlich die effektivste Struktur zu sein, mit der die Verschaltung des Gehirns während der Evolution systematisch und effizient weiterentwickelt werden kann. Für neue kognitive Fähigkeiten müssen dann nur neue Bündel in das weiche und geschmeidige Gitter aus parallelen und rechtwinklig angeordneten Nervenfasern eingezogen werden.

Dreidimensionale Landkarte

Die Bilder von den Schaltplänen des Gehirns sind im Rahmen des „Human Connectome Project“ entstanden. Das Wort Connectom leitet sich von dem englischen Verb für „verbinden“ ab und steht für das Bestreben in den nächsten Jahren sämtliche Nervenzellen und ihre Verknüpfungen in einer dreidimensionalen Landkarte des Gehirns darzustellen.

Das Connectom-Projekt ist ähnlich ehrgeizig wie seinerzeit das Genom-Projekt zur Entschlüsselung des menschlichen Erbgutes. Es wird von den Vereinigten Staaten mit 40 Millionen US-Dollar unterstützt. Das Geld fließt vor allem in die technische Weiterentwicklung der Bildgebung und der überaus anspruchsvollen Computeralgorithmen.

Ein neuer Molekülscanner

Die Bild-Datensätze werden mit einer besonderen Form der Diffusions-Magnetresoanztomographie erzeugt. Bei diesem Verfahren wird die Molekularbewegung der Wassermoleküle in allen drei Richtungen des Raums erfasst. Verkleinert sich der Raum zwischen den Nervenzellen, reduziert sich die Beweglichkeit des Wassers. Der Computer berechnet daraus die Ausrichtung der Nervenfasern und den Ort der Kreuzungspunkte. Nervenfasern, die in die gleiche Richtung laufen, erhalten die gleiche Farbe, so dass übersichtliche Bilder entstehen.

Der 3 Tesla Magnet des am Massachusetts General Hospital installierten Connectom-Scanners, mit dem die veröffentlichten Bilder gemacht wurden, wiegt 8,3 Tonnen und ist achtmal so groß wie der Magnet eines konventionellen Magnetresonanztomographen. Weitere Bilder des neuronalen Schaltplans sind auf der Internetseite des „Human Connectome Project“ zu sehen.