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Verena Müller
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Ein Gespräch mit Professor Weiskopf über unser Gehirn als reines Zusammenspiel physikalischer Prozesse, eine neue Ära der Hirnforschung und die Natur von Geistesblitzen.

"Wir denken nie mit dem gleichen Gehirn wieder"

11. April 2016

Ein Gespräch mit Professor Weiskopf über unser Gehirn als reines Zusammenspiel physikalischer Prozesse, eine neue Ära der Hirnforschung und die Natur von Geistesblitzen.

Weitere Forschung im Bereich Neurophysik am MPI CBS

Unsere Vision ist die Entwicklung und Anwendung neuartiger, nicht invasiver Magnetresonanztomografie (MRT) Methoden, die die funktionelle und anatomische Mikrostruktur des menschlichen Gehirns detailliert und verlässlich identifizieren können.

Pressemeldung

Der Superhirnscanner

12. Dezember 2016

Er ist einer von drei seiner Art weltweit und der einzige auf dem europäischen Festland: Der Hirnscanner CONNECTOM. Dank seiner einzigartigen Gradientenstärke wird er uns vor allem Auskunft über die weitestgehend unbekannte innere Verdrahtung des lebenden menschlichen Gehirns geben, den entscheidenden Strukturen um den Transport von Informationen innerhalb unseres Denkorgans zu verstehen. Heute geht er am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig an den Start.

Der Hirnscanner CONNECTOM ist weltweit einer der drei besten seiner Art. Dank seiner einzigartigen Gradientenstärke wird er Auskunft über die unbekannte innere Verdrahtung des Gehirns geben.

Wie sieht eigentlich das menschliche Gehirn aus? Was den Verlauf und die Verknüpfung seiner Nervenfasern anbelangt, ist unser Bild von ihm noch immer sehr grob. Auch über den Zusammenhang zwischen der exakten Anatomie des Gehirns und seinen einzelnen Funktionen, die funktionelle Struktur, wissen wir bisher nur wenig.

Das Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften (MPI CBS) in Leipzig will nun gezielt in diese unbekannten Tiefen des Gehirns vordringen und setzt seit heute dazu vor allem auf einen: den Connectom - einen der drei besten Hirnscanner weltweit, wenn es um die innere Verdrahtung des Gehirns geht, und dem einzigen seiner Art auf dem europäischen Festland. Nicht umsonst wurde er kürzlich von einem der führenden Neurowissenschaftler, Prof. Derek Jones von der Universität Cardiff, als das „Hubble Teleskop der Neurowissenschaft“ bezeichnet.

Obwohl er von außen wie ein herkömmlicher MRT-Scanner erscheint, trägt er eine Technologie in sich, die es in sich hat: Sie wird, seinem Namen alle Ehre machend, präzise Auskunft über die Verknüpfungen im Gehirn geben können. Wie verlaufen die Faserverbindungen in den Tiefen unseres Gehirns genau, wo kreuzen sie sich, wo ändern sie ihre Richtung? Wo gelangen sie wieder an die Oberfläche und treten in die Großhirnrinde, den Cortex, ein? Welche Hirnareale stehen mit einander in engem Datenaustausch? „Durch ihn werden wir erfahren, wie die Nervenfaserbündel im Gehirn verlaufen, die als Datenautobahnen die einzelnen Hirnareale miteinander verbinden“, so Prof. Nikolaus Weiskopf, Direktor am MPI CBS und wissenschaftlicher Leiter des Connectoms. „Sie sind so das eigentlich Entscheidende, um den Informationstransport im Gehirn zu verstehen.“

Sein Geheimnis liegt in seinem besonders großen Magnetfeldgradienten. Mit 300 Millitesla pro Meter ist dieser bei ihm beinahe vierfach höher als bei den derzeit besten Serien-Tomographen. Auf dem Prinzip der sogenannten diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie aufbauend kann er so sehr viel präziser die Diffusion der Wassermoleküle im Gehirn erfassen und darüber Rückschlüsse auf die Faserverbindungen ziehen. Dabei macht er sich zunutze, dass Zellmembranen oder andere Hindernisse die Bewegungen der Wasserteilchen beeinflussen, sodass diese sich entlang von Nervenfasern rascher bewegen als quer zu ihnen. Aus Diffusionsmessungen entlang verschiedener Richtungen lässt sich so der Verlauf, die Form und die Größe der Nervenfasern rekonstruieren – ohne dass die Neurowissenschaftler dazu die nur wenige Mikrometer großen Axone direkt sehen können. „Was den präzisen Verlauf der Nervenfasern anbelangt, ist der Connectom der absolute Champion, ein Meilenstein der Hirnforschung und modernen Medizintechnik“, so Prof. Harald Möller, technischer Leiter dieses Hirnscanners.

Die Leistung des Connectoms liegt jedoch nicht nur darin, die Faserverbindungen unseres Denkorgans zu entschlüsseln. Vielmehr wird er uns mit seiner gegenüber Standard-Scannern bis zu zehnfach höheren Auflösung den Blick in bisher unerforschte anatomische Mikrostrukturen am lebenden menschlichen Gehirn freimachen. „Wir wollen auf eine Ebene von rund 0,6 Millimeter gelangen“, so Weiskopf über die von SIEMENS Healthcare entwickelte Anlage. „Damit können wir endlich einen deutlich genaueren Einblick in den nur rund drei Millimeter dünnen Cortex bekommen, der für unsere höheren kognitiven Fähigkeiten so entscheidend ist. Vielleicht erreichen wir sogar eine Größenskala, auf der sich zwischenmenschliche Unterschiede erklären lassen.“ Warum ist ein Mensch ängstlicher als ein anderer? Warum kann sich einer Dinge besser merken, als ein anderer? Warum lernt der eine Fremdsprache in Windeseile, während der andere sich eher schwer tut? Das sind Fragen, die sich mit dem Connectom womöglich in einigen Jahren aus den Mikrostrukturen ablesen lassen.

Mit seiner gegenüber Standard-Scannern bis zu zehnfach höheren Auflösung soll der <em>Connectom</em> Mikrostrukturen von bis zu 0,6 Millimetern am lebenden menschlichen Gehirn sichtbar machen. ©MPI CBS Bild vergrößern
Mit seiner gegenüber Standard-Scannern bis zu zehnfach höheren Auflösung soll der Connectom Mikrostrukturen von bis zu 0,6 Millimetern am lebenden menschlichen Gehirn sichtbar machen. ©MPI CBS [weniger]

Und nicht nur die: Auch bisher ungelöste Rätsel zur Anpassungsfähigkeit des Gehirns, der Hirnplastizität, könnten damit gezielt untersucht werden. Was verändert sich beispielsweise in der Mikrostruktur des Gehirns, wenn eine Person nach einem Schlaganfall bestimmte Bewegungen wiedererlernt? „Was man hier nicht vergessen darf: Jeder, um einige hundert Mikrometer größere Zoom in diese Strukturen bedeutet eine bisher nie dagewesene physikalisch-technologische Meisterleistung“, fügt der Neurophysiker hinzu.  

Nicht nur der Connectom allein wird in den kommenden Jahren bahnbrechende Aufnahmen des Gehirns liefern. Auch die anderen Tomographen am Leipziger MPI CBS werden ganz neue Möglichkeiten bieten, die Vorzüge jedes einzelnen miteinander zu kombinieren. „Jeder der Hirnscanner kann andere Strukturen und Aspekte sichtbar machen. Unser Ziel ist es daher, die Aufnahmen der einzelnen Scanner zu einem biophysikalischen Gesamtmodell des Gehirns zusammenzufügen“, erklärt Weiskopf. „Eine dünner werdende Myelinschicht der Nervenzellen und eine ansteigende Eisenkonzentration etwa sind frühe Anzeichen von Alterungsprozessen. Ersteres kann mithilfe des Connectoms, letzteres durch unseren Magnetom 7T und seiner sieben Tesla magnetischen Feldstärke erkannt werden.“

Diese einmalige Kombination der Technologien bietet den Wissenschaftlern am MPI CBS damit nicht nur die Möglichkeit, die Anfangsstadien neurodegenerativer Krankheiten besser zu verstehen. Vielmehr eröffnet sie ihnen ein vollkommen neues Fenster in die Grundlagenforschung der Neurowissenschaft. „Ich bin überzeugt davon, dass sich dadurch unser Verständnis des Gehirns um Dimensionen vertiefen wird und wir vermutlich bisherige Annahmen wieder über Bord werfen werden. Insbesondere in Bezug auf die bislang weitgehend unbekannten Faserverbindungen, die sich in den letzten Jahren als die unterschätzten, eigentlich entscheidenden Hirnstrukturen herauskristallisiert haben“, so Prof. Angela D. Friederici, Vizepräsidentin der Max-Planck-Gesellschaft und ebenfalls Direktorin am MPI CBS in Leipzig als einem der europaweit führenden Standorte der Neurowissenschaft. „Wir sehen uns dabei ganz im Sinne unseres Leitprinzips - ‚dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen’.“

 
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