Allan Jones: Eine Karte des Gehirns

Seit langem übt das menschliche Gehirn eine Faszination auf Menschen aus. Wir machten Schaubilder, Beschreibungen, Zeichnungen und Karten. Nun, ebenso wie die physischen Karten unserer Erde, die sehr von Technologie beeinflusst wurden – denken sie an Google Maps, denken sie an GPS – dasselbe passiert bei Gehirnaufzeichnungen durch Umwandlung.

Sehen wir uns also das Gehirn an. Viele Menschen, wenn sie zum ersten Mal ein frisches menschliches Gehirn sehen, sagen: "Normalerweise sieht es anders aus, wenn man ein Gehirn gezeigt bekommt." Was sie normalerweise sehen, ist ein fixiertes Gehirn. Es ist grau. Und diese Aussenschicht, das Gefäßsystem – welches unglaublich ist – umgibt das menschliche Gehirn. Dies sind die Blutgefäße. 20 Prozent des Sauerstoffs kommt aus den Lungen, 20 Prozent unseren Blutes wird aus dem Herzen gepumpt, es versorgt dieses eine Organ. Es ist im Grunde, wenn sie ihre zwei Fäuste aneinander halten, ein wenig grösser als ihre beiden Fäuste.

Wissenschaftler fanden Ende des 20. Jahrhunderts heraus, dass sie den Blutfluss verfolgen können, um nicht-invasiv aufzuzeichnen, wo Aktivität im menschlichen Gehirn stattfindet. So können sie, z.B. die Rückseite des Gehirns betrachten, welches sich gerade herumdreht. Da ist das Kleinhirn; es hält sie in diesem Moment aufrecht. Dadurch kann ich stehen. Es ist an koordinierten Bewegungen beteiligt. Auf der rechten Seite befindet sich der temporale Kortex. Das ist der Bereich, in dem die erste Verarbeitung des Hörens stattfindet -- sie hören meine Worte, sie senden sie in höher gelegene Sprachverarbeitungszentren. In Richtung des vorderen Hirnbereichs ist der Bereich, in dem komplexe Gedankenvorgänge, wie Entscheidungen stattfinden – Es ist das Letzte, was im späten Erwachsenenalter heranreift. Dort finden alle Entscheidungsprozesse statt. Es ist der Bereich, in dem sie jetzt gerade entscheiden, vielleicht doch nicht das Steak zum Abendessen zu bestellen.

Wenn sie also einen tieferen Blick in das Gehirn werfen, ist eines der Dinge, die sie im Querschnitt erkennen, dass sie eine ganze Menge kleiner Strukturen nicht sehen können. Aber es gibt hier tatsächlich viele Strukturen. Seine Zellen und seine Leitungen sind alle miteinander verdrahtet. Vor etwa 100 Jahren erfanden einige Wissenschaftler eine Farbe, die Zellen einfärben konnte. Hier an dem leichten Blau zu sehen. Sie können Bereiche sehen, in denen normale Körperzellen eingefärbt sind. Und was sie sehen ist sehr ungleichmäßig. Hier sehen sie eine größere Anordnung. Der äußere Bereich des Gehirns ist der Neokortex. Es ist eine durchgehende Verarbeitungseinheit, wenn sie so wollen. Ebenso können sie etwas unterhalb erkennen. Alle diese leeren Gebiete, sind die Gebiete, in denen die Leitungen durchlaufen. Sie sind wahrscheinlich weniger zelldurchlässig. Es gibt etwa 86 Billionen Neuronen in unseren Gehirn. Wie sie hier sehen können, sind sie sehr ungleichmäßig verteilt. Und die Art und Weise, wie sie verteilt sind, trägt sehr zu ihrer eigentlichen Funktionsweise bei. Und, wie ich zuvor angemerkt habe, da wir nun anfangen können, die Gehirnfunktion zu kartieren, können wir anfangen, sie einzelnen Zellen zuzuordnen.

Sehen wir uns das also genauer an. Werfen wir einen Blick auf die Neuronen. Wie ich bereits erwähnte, gibt es 86 Billionen Neuronen. Außerdem gibt es diese kleineren Zellen wie sie sehen werden. Es handelt sich um Stützzellen – sogenannte Astrozyten. Die Nerven selber sind diejenigen, die Informationen erhalten. Sie speichern und verarbeiten sie. Jedes Neuron ist mit bis zu 10.000 anderen Neuronen in Ihrem Gehirn mittels Synapsen verbunden. Und jedes Neuron für sich ist weitgehend einzigartig. Der einzigartige Charakter von beiden einzelnen Nervenzellen und Neuronen innerhalb des Gehirnverbands resultiert aus der grundlegendes Eigenschaft ihrer zugrunde liegenden Biochemie. Das sind Proteine. Proteine, die Dinge wie die Bewegungen der Ionenkanäle steuern. Sie steuern, mit wem sich Nervenzellen zusammenschließen. Und sie steuern im Grunde alles, was mit dem Nervensystem zu tun hat.

Wenn wir diesen Bereich noch näher betrachten, sind alle diese Proteine durch unsere Genome kodiert. Jeder von uns hat 23 Chromosomenpaare. Eins bekommen wir von der Mutter, eins vom Vater. Und auf diesen Chromosomen haben wir schätzungsweise 25.000 Gene. Sie verschlüsseln die DNA. Und das Wesen einer bestimmten Zelle, seine zu Grunde liegende Biochemie anzutreiben, ist dadurch bestimmt, welche der 25.000 Gene eingeschaltet sind und zu welchem Schwellenwert sie eingeschaltet sind.

Unsere Aufgabe ist es also diese Anzeige zu betrachten, um zu verstehen, welches dieser 25.000 Gene arbeitet. Um so eine Aufgabe durchzuführen, brauchen wir selbstverständlich Gehirne. Darum haben wir unseren Laborassistenten losgeschickt. Wir haben normale menschliche Gehirne gesucht. Womit wir tatsächlich anfangen ist die Gerichtsmedizin / Pathologie. Hier werden Verstorbene hingebracht. Wir suchen normale menschliche Gehirne. Wir suchen die Gehirne nach vielen Kriterien aus. Wir möchten sicherstellen, dass wir normale Gehirne von 20- bis 60-Jährigen haben, die eines natürlichen Todes gestorben sind, ohne Gehirnverletzungen. ohne psychiatrischen Hintergrund, ohne Drogen – wir machen eine toxikologische Untersuchung, und überlegen gründlich, welche Gehirne wir nehmen. Wir achten auch darauf, dass wir die Erlaubnis zur Gewebeentnahme innerhalb eines Tages nach Todeseintritt erhalten. Denn was wir messen wollen, die RNA – welches die Ausgabe unserer Gene ist -- ist sehr unstabil, und daher müssen wir es schnell angehen.

Eine Anmerkung bezüglich des Beschaffens der Gehirne: aufgrund der Art und Weise wie wir sie beschaffen und weil wir um Zustimmung bitten, haben wir tatsächlich mehr Gehirne von Männern als von Frauen. Bei Männer ist der Unfalltot mitten im Leben viel wahrscheinlicher, und bei Männern bekommt man vom Lebenspartner auch eher die Zustimmung, als anders herum.

(Gelächter)

Das Erste was wir mit der Sammlung machen wir lassen ein MR vornehmen – eine Kernspintomografie. Das ist die Standardarbeitsweise, mit der wir die restlichen Daten einreihen. Also veranlassen wir ein MR. Sie können sich das als Satellitenbild für unsere Karte vorstellen. Als nächstes veranlassen wir eine sogenannte Diffusionstensor-Bildgebung. Dies kartografiert die großen Hauptverknüpfungen im Gehirn. Und noch einmal, Sie können sich das beinah wie das Kartografieren unserer Autobahnen vorstellen, wenn sie wollen. Das Gehirn ist aus dem Schädel entfernt und in 1 cm dicke Scheiben geschnitten. Diese werden hart gefroren und nach Seattle verschickt. In Seattle nehmen wir sie – das ist eine ganze menschliche Gehirnhälfte – und legen sie hier rein – nur eine bessere Aufschnittmaschine. Die Klinge hier schneidet ein waagerechtes Stück aus dem Gewebe und legt es auf den Objektträger des Mikroskops. Dann werden wir etwas Farbstoff aufbringen und es scannen. So erhalten wir unsere erste Kartierung.

Jetzt kommen Experten ins Spiel und machen grundlegende anatomische Zuordnungen. Wenn Sie wollen, können sie diese ziemlich breiten Umrisse als Staatsgrenzen betrachten. Danach können wir das Gehirn in weitere Teile zerlegen, die wir dann in einen kleineren Tiefkühler legen können. Und das ist gerade hier zu sehen – gefrorenes Gewebe und es wird geschnitten. Es ist 20 Mikrometer dünn, etwa die Breite eines Babyhaars. Und vergessen Sie nicht, es ist gefroren. Und hier sehen Sie die Verwendung eines altmodischen Pinsels. Wir nehmen einen Objektträger, und schmelzen es behutsam auf darauf. Der Objektträger kommt auf einen Roboter, der einen der Farbstoffe aufbringt. Dann sehen unsere Anatomen es sich genauer an.

Das ist also, was sie unter dem Mikroskop sehen können. Man kann Ansammlungen und Anordnungen von großen und kleinen Zellen in Anhäufungen oder an verschiedenen Stellen sehen. Danach kommt Routine. Sie wissen, wo diese Zuordnungen zu machen sind. Und sie können im Grunde einen Referenzatlas machen. Das ist eine detailliertere Karte.

Unsere Wissenschaftler benutzen sie dann, um an einem anderen Stück des Gewebes eine sogenannte Laser-Mikrodissektion zu machen. Der Techniker erhält also die Anweisungen. Sie zeichnen es der Länge nach an. Und dann schneidet der Laser. Sie können den blauen Punkt dort schneiden sehen. Und dann fällt das Gewebe herunter. Sie können hier auf dem Objektträger sehen, das dies in Echtzeit passiert. Unterhalb ist ein Behälter, der das Gewebe auffängt. Wir nehmen das Gewebe, wir entnehmen die RNA mittels bewährter Technologie und geben etwas Effloreszenz drauf. Wir nehmen das markierte Material und legen es auf einen sogenannten Genchip.

Das muss für sie jetzt wie ein Bündel von Punkten aussehen, aber jeder dieser einzelnen Punkte ist tatsächlich ein einzigartiges Stück menschlichen Genoms, das wir auf Glas tupften. Es hat ungefähr 60,000 Elemente darauf, so dass wir verschieden der 25.000 Gene im Genom mehrfach messen. Und wenn wir eine Probe nehmen und es dazu kreuzen, bekommen wir so etwas wie einen einzigartigen Fingerabdruck, quantitativ der Gene die in dieser Probe eingeschaltet werden.

Dann wiederholen wir den Vorgang mit jedem einzelnen Gehirn. Wir nehmen über 1,000 Proben von jedem Gehirn. Dieses Gebiet hier ist der sogenannte Hippocampus. Er ist für das Lernen und das Gedächtnis zuständig. Und er trägt ungefähr 70 Proben zu den 1,000 Proben bei. Jede Probe bringt uns ungefähr 50,000 Datenpunkte mit wiederholten Messungen, beinahe 1,000 Proben.

Wir haben schätzungsweise 50 Millionen Datenpunkte für jedes einzelne Gehirn. Bislang entspricht die Datenmenge zwei menschlichen Gehirnen. Wir haben das alles in eins zusammengepackt, und ich werde ihnen zeigen, wie die Synthese aussieht. Im Grunde ist es ein großer Datensatz an Informationen, welcher für alle Wissenschaftler dieser Welt zugänglich ist. Sie müssen sich nicht einmal einloggen, um dieses Werkzeug zu benutzen, die Daten zu analysier und interessante Dinge herauszufinden. Hier sind die Modalitäten, die wir zusammengestellt haben. Sie werden sie, von dem was wir vorher zusammengetragen haben, wiedererkennen. Hier ist das MR. Es stellt das Grundgerüst dar. Da ist ein Leitelement auf der rechten Seite, welches ihnen erlaubt, sich zu drehen, es erlaubt ihnen, sich auf etwas zu konzentrieren, es erlaubt ihnen, individuelle Strukturen hervorzuheben.

Allen voran kartieren wir jetzt diese anatomische Struktur, die als allgemeines System Menschen erlaubt zu verstehen, welche Gene eingeschaltet sind. Die roten Ebenen zeigen, wo Gene in hohem Maße stimuliert sind. Grün gehört zu den kühleren Bereichen, wo sie nicht stimuliert sind. Und jedes Gen gibt uns einen Fingerabdruck. Und erinnern sie sich daran, dass wir alle 25,000 Gene des Genoms untersucht haben und alle Daten verfügbar sind.

Was können Wissenschaftler also aus diesen Daten lernen? Wir fangen gerade erst an, die Daten anzusehen. Es gibt grundlegende Dinge, die man verstehen will. Zwei wichtige Beispiele sind Medikamente, Prozac und Wellbutrin. Dies sind üblicherweise verschriebene Antidepressiva. Jetzt erinnern Sie sich, wir untersuchen Gene. Gene senden Instruktionen, Proteine zu bilden. Proteine sind Ziele für Medikamente. Medikamente binden sich an Proteine und schalten sie ab, etc. Wenn man also die Wirkung von Medikamenten verstehen will, will man verstehen, warum sie auf gewünschte Weise agieren, aber auch auf unerwünschte. In dem Nebenwirkungsprofil etc., möchten man sehen, wo solche Gene eingschaltet werden. Und zum ersten Mal können wir genau das tun. Wir können dieses bei mehreren Personen machen, die wir auch untersucht haben.

Wir können jetzt ganz und gar das Gehirn ansehen. Wir können diesen einzigartigen Fingerabdruck sehen. Und wir bekommen Bestätigung. Wir bekommen Bestätigung, dass das Gen tatsächlich eingeschaltet ist – für etwas wie Prozac, in serotonergen Strukturen werden bekannte Dinge beeinflußt – aber wir bekommen auch das Ganze zu sehen. Wir bekommen Bereiche zu sehen, die zuvor noch niemand gesehen hat und wir sehen hier diese stimulierten Gene. Es ist so interessant wie eine Nebenwirkung nur sein kann. Eine andere Sache, die man damit machen kann ist, weil es um Mustererkennung geht, weil es einen einzigartigen Fingerabdruck gibt, können wir tatsächlich das ganze Genom untersuchen und andere Proteine mit ähnlichem Fingerabdruck finden. Wenn Sie also z.B. in der Pharmaforschung tätig sind, können sie durch eine ganze Liste von Angeboten gehen, die ein Genom zu bieten hat, um vielleicht bessere Wirkungsorte zu finden und zu optimieren.

Viele von ihnen kennen sich sicherlich mit Gesamt-Genom-Assoziationsstudien aus, wenn die Nachrichten davon berichten, dass 'Wissenschaftler kürzlich das Gen oder die Gene mit der Wirkung auf X entdeckt haben'. Und diese Art von Studien werden laufend von Wissenschaftlern veröffentlicht und sie sind großartig. Sie analysieren große Populationen. Sie betrachten ihre gesamten Genome und sie versuchen Aktivitätsherde zu finden, die ursächlich mit den Genen verknüpft sind. Aber was sie aus solch einer Anwendung herausbekommen, ist einfach eine Liste von Genen. Die zeigt dir das Was, aber nicht das Wo. Und so ist es für diese Forscher sehr wichtig, das wir diese Quelle erschaffen haben. Jetzt können sie hereinkommen und anfangen, Hinweise bezüglich der Aktivität zu bekommen. Sie können anfangen, sich allgemeine Pfade anzusehen -- andere Dinge, zu denen sie vorher nicht imstande waren.

So denke ich, dass besonders dieses Publikum die Wichtigkeit der Individualität verstehen kann. Und ich denke, jeder Mensch, wir alle haben verschiedene genetische Hintergründe, wir alle haben eigenständige Leben gelebt. Aber Tatsache ist, die Ähnlichkeit unserer Genome ist größer als 99 %. Wir sind auf genetischen Niveau gleich. Und tatsächlich stellen wir fest, sogar auf der biochemischen Ebene des Gehirns sind wir ziemlich gleich. Und das zeigt uns, dass nicht 99 Prozent, aber annähernd 99 Prozent in guter Näherung, so dass alles in der [Daten-]Wolke grob korreliert. Und wir finden einige Sonderfälle, einige Dinge, die außerhalb der Wolke liegen. Und diese Gene sind interessant aber sie sind sehr fein. Daher denke ich, die wichtige Botschaft, die sie heute mitnehmen sollen ist, auch wenn wir all unsere Unterschiede ausleben, sind wir ziemlich ähnlich, auch auf der Gehirnebene.

Nun, wie sehen diese Unterschiede aus? Dies ist ein Beispiel einer Studie, die wir machten, um zu verfolgen und zu sehen, was genau diese Unterschiede sind – und sie sind recht fein. Dabei werden Gene in einem individuellen Zelltyp aktiviert. Dieses sind zwei Gene, die wir als gutes Beispiel gefunden haben. Eins heißt RELN – es ist an frühen Entwicklungsmerkmalen beteiligt. DISC1 ist ein Gen, welches bei Schizophrenie gelöscht wird. Dies sind keine schizophrenen Personen aber sie zeigen Abweichungen von der Grundgesamtheit. Hier sehen sie nun bei Spender Eins und Spender Fünf, die Ausnahmen zu den zwei anderen sind, das Gene in einer sehr spezifischen Teilmenge der Zellen aktiviert sind. Es ist diese dunkelviolette Ablagerung in den Zellen, die uns sagt, dass ein Gen hier aktiviert ist. Ob das vom individuellen genetischen Hintergrund oder ihren Erfahrungen abhängt, wissen wir nicht. Diese Art von Studien verlangen eine viel größere Population.

Ich verlasse Sie nun mit einer letzten Anmerkung zur Komplexität des Gehirns, und dazu wie weit wir noch gehen müssen. Ich halte diese Mittel für unglaublich wertvoll. Sie geben Wissenschaftlern Richtung für weitere Arbeiten. Aber an diesem Punkt haben wir nur auf eine handvoll Personen betrachtet. Wir werden aber mit Sicherheit mehr betrachten. Lassen sie mich abschließend sagen, dass die Werkzeuge vorhanden sind und das dies ein wirklich unerforschter, unentdeckter Kontinent ist. Das ist neues Grenzland, wenn sie so wollen. Und für diejenigen, die unerschrocken sind aber beeindruckt von der Komplexität des Gehirns, die Zukunft wartet.

Dankeschön.

(Beifall)