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Neu in "Science": der Julich-Brain Atlas

Jülich, 31. Juli 2020 - "Julich-Brain" heißt der erste 3D-Atlas des menschlichen Gehirns, der die Variabilität der Gehirnstruktur mit mikroskopischer Auflösung abbildet. Über 24.000 hauchdünne Hirnschnitte wurden dafür digitalisiert, in 3D zusammengesetzt und von Experten kartiert. Als Teil der neuen EBRAINS-Infrastruktur des europäischen Human Brain Projects dient der Atlas als „Interface“, um Informationen über das Gehirn räumlich präzise zu verknüpfen. Jülicher und Düsseldorfer Forscher unter der Leitung von Prof. Katrin Amunts haben den neuen Gehirnatlas nun in der renommierten Fachzeitschrift Science vorgestellt.

Unter dem Mikroskop lässt sich erkennen, dass das menschliche Gehirn nicht einheitlich aufgebaut ist, sondern in klar abgrenzbare Hirnregionen aufgeteilt werden kann. Diese unterscheiden sich in Verteilung und Dichte der insgesamt etwa 86 Milliarden Nervenzellen und auch in ihrer Funktion. Mit dem Julich-Brain präsentieren Forscher um Katrin Amunts nun die bisher umfangreichste digitale Karte dieser zellulären Architektur und stellen sie weltweit über die Forschungsinfrastruktur EBRAINS zur Verfügung.

Der Julich-Brain Atlas erfasst die Grenzen zwischen Hirnarealen und bringt sie als Karte in den Atlas. Die Variabilität zwischen den verschiedenen Gehirnen kann zudem durch Wahrscheinlichkeitskarten der Lage einzelner Regionen angezeigt werden.Die Architektur der Nervenzellen ändert sich an der Grenze zwischen zwei Arealen (gestrichelte Linie). Das ist die Grundlage der Kartierung. Die Areale der untersuchten Gehirne werden in den Julich-Brain Atlas gebracht und hier überlagert. Da die Areale zwischen den einzelnen Gehirnen variieren, berechnet man Wahrscheinlichkeitskarten. (rechte Hirnhälfte; rot bedeutet eine hohe Wahrscheinlichkeit und damit eine geringe Variabilität). Linke Hirnhälfte: Karte der maximalen Wahrscheinlichkeiten zur gleichzeitigen Darstellung mehrerer Hirnareale.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Katrin Amunts

"Zum einen wird der digitale Hirnatlas dazu beitragen, Ergebnisse von Bildgebungsstudien, etwa von Patienten, genauer zu interpretieren", so Katrin Amunts, Direktorin am Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin und Professorin an der Universität Düsseldorf. "Zum anderen soll er Grundlage für eine Art 'Google Earth' des Gehirns werden – denn die Zellebene bildet die beste Basis, um Wissen über ganz unterschiedliche Facetten des Gehirns zusammenzuführen."

Auf diese Weise tragen die Forscher wesentlich zum Human Brain Project bei, für das die Europäische Kommission gerade 150 Millionen Euro bis 2023 bewilligt hat. "Gemeinsam mit vielen Partnern bauen wir dabei EBRAINS als eine neuartige Hightech-Forschungsinfrastruktur für die Neurowissenschaft auf", so Amunts, die wissenschaftliche Leiterin des Projektes ist.

Prof. Katrin Amunts ist Direktorin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin am Forschungszentrum Jülich und Professorin für Hirnforschung an der Universität Düsseldorf.Prof. Katrin Amunts ist Direktorin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin am Forschungszentrum Jülich und Professorin für Hirnforschung an der Universität Düsseldorf.
Copyright: Mareen Fischinger

Mehr als ein Vierteljahrhundert Forschung steckt in dem 3D-Atlas. Zehntausende Gewebeschnitte von insgesamt 23 Gehirnen wurden gescannt und im Computer Schicht für Schicht wieder zusammengesetzt. Dutzende Experten haben die Gewebeschnitte über die Jahre ausgewertet und mithilfe von Bildanalyse und mathematischen Algorithmen Grenzen zwischen den Hirnarealen bestimmt, die zusammen eine Länge von fast 2000 Metern ergeben. Bis jetzt sind Karten von rund 250 Arealen – etwa 70 Prozent der Hirnrinde und tieferliegender Kerngebiete – fertig gestellt und veröffentlicht. Jede davon basiert auf zehn Gehirnen und ist mit detaillierten Informationen versehen.

Wahrscheinlichkeitskarten machen Unterschiede zwischen den Gehirnen erfassbar

Bei der Kartierung zeigte sich, dass die Areale verschiedener Gehirne sehr unterschiedlich sein können, etwa hinsichtlich ihrer Größe und Lage. Besonders große Unterschiede fanden die Forscher in der für Sprache wichtigen Broca-Region. Im Gegensatz dazu erschienen etwa für das Sehen wichtige Areale viel einheitlicher. Lage und Form einzelner Regionen zeigt das Julich-Brain deshalb als "Wahrscheinlichkeitskarten" an. Unterschiedliche Farben zeigen an, wie häufig sich ein bestimmtes Areal an der jeweiligen Stelle findet.

Wahrscheinlichkeitskarte des Frontalpols, und Gesamt-KartenansichtWahrscheinlichkeitskarte des Frontalpols, und Gesamt-Kartenansicht
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Katrin Amunts

Als Teil von EBRAINS ist der Jülicher Hirnatlas Ausgangspunkt, um Struktur und Funktion zusammenzubringen. Schon heute hilft der Atlas dabei, beispielweise Daten zu Genexpression, Konnektivität und funktioneller Aktivität zu verknüpfen, um die Funktionsweise des Gehirns und die Mechanismen von Erkrankungen besser zu verstehen. "EBRAINS ermöglicht es uns auch, die Karten für Simulationen zu nutzen oder Methoden der Künstlichen Intelligenz einzusetzen, um die Arbeitsteilung zwischen den Hirnarealen besser zu verstehen. Die riesigen Datenmengen, die dabei anfallen, werden mithilfe der EBRAINS-Computing Plattform verarbeitet." Die Rechenpower kommt dabei vom neuen Europäischen Supercomputing-Netzwerk FENIX, zu dem sich fünf führende Zentren für Höchstleistungsrechnen, darunter das Jülicher JSC, zusammengeschlossen haben.

"Es ist beeindruckend, wie weit die Verbindung von Hirnforschung und digitalen Techniken vorangekommen ist", sagt Amunts. "Viele dieser Entwicklungen laufen im Julich-Brain Atlas und auf EBRAINS zusammen. Sie helfen uns – und immer mehr Forschern weltweit – die komplexe Organisation des Gehirns besser zu verstehen und gemeinsam die Zusammenhänge aufzudecken."

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Gehirnatlas in Bewegung

Originalpublikation: Katrin Amunts, Hartmut Mohlberg, Sebastian Bludau, Karl Zilles: Julich-Brain – a 3D probabilistic atlas of human brain’s cytoarchitecture. Science (First Release), DOI: 10.1126/science.abb4588

Footage / Videomaterial zum Download:

Gehirnatlas in Bewegung
(mov, Quelle: Forschungszentrum Jülich)

Web-basierter Zugriff auf die Atlas-Funktionalitäten im System des Human Brain Projects auf www.ebrains.eu
(mp4, Quelle: Forschungszentrum Jülich)

Laboraufnahmen mit Co-Autor Sebastian Bludau
(mp4, lizenzfrei, Quelle: European Comission Stockshots)

Weitere Informationen:

BigBrain: Das hochaufgelöste Hirnmodell BigBrain, 2013 ebenfalls in Science veröffentlicht, floss in den Julich-Brain Atlas mit ein und ist ebenfalls über EBRAINS verfügbar. Es wird derzeit mithilfe neuer KI-basierter Methoden im internationalen HIBALL-Lab untersucht.
"Mikrometer um Mikrometer: Dem Gehirn auf der Spur" Interview mit Prof. Katrin Amunts vom Juni 2020

Anwendung von Karten des Atlas für die Analyse genetischer Daten:
"Von der Genexpression zur Mikrostruktur des Gehirns" Pressemitteilung des Forschungszentrums Jülich von April 2018:

Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Strukturelle und funktionelle Organisation des Gehirns (INM-1)

Website EBRAINS

Website des Human Brain Project

Ansprechpartner:

Prof. Dr. med. Katrin Amunts
Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1)
Cécile und Oskar Vogt-Institut für Hirnforschung
Heinrich-Heine-Universität / Universitätsklinikum Düsseldorf
und Vorsitzende des Science and Infrastructure Board (SIB) des Human Brain Project (HBP)
Tel.: +49 2461 61-4300
E-Mail: k.amunts@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Peter Zekert
Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1)
Tel.: +49 2461 61-96860
E-Mail: p.zekert@fz-juelich.de

Dr. Regine Panknin
Unternehmenskommunikation Forschungszentrum Jülich
Tel.: +49 2461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de