Kartierter Cortex

Die neue Karte der Cortex-Areale (Grafik: Matthew F. Glasser, David C. Van Essen)

So essenziell unser Gehirn für unser Leben und Denken ist, so unbekannt sind noch immer viele Details seiner Anatomie und Funktion. So blieb beispielweise unklar, in welche und wie viele Areale die Großhirnrinde aufgeteilt ist. Ein neuer Hirnatlas gibt in dieser Frage nun mehr Klarheit: Erstmals haben Forscher dafür anatomische und funktionelle Daten zusammenfassend ausgewertet – und kommen so auf 180 voneinander abgegrenzte Areale in jeder unserer Hirnhälften.

Als der Neuroanatom Korbinian Brodmann 1909 den ersten Atlas zur Zellarchitektur der Großhirnrinde veröffentlichte, teilte er den Cortex in 52 Areale ein. Diese Bereiche unseres Denkorgans, so erkannte er, unterscheiden sich untereinander in ihrer Gewebestruktur oder lassen sich zumindest mit ihrer Hilfe voneinander abgrenzen. Erst später ergaben Studien, dass viele dieser Areale sich auch funktionell voneinander unterscheiden und dass einige sich weiter unterteilen lassen. Das Problem dabei: Je nach Forscher und Methode kamen Wissenschaftler auf ganz verschiedene Einteilungen, die Zahl der Areale in gängigen Hirnkarten variierte von 50 bis zu über 200. Der Grund: "Ein großer Teil des Gehirns sieht oberflächlich betrachtet gleich aus", erklärt Studienleiter Matthew Glasser von der Washington University in Saint-Louis. "Daher ähnelt eine Hirnkarte eher einem politischen Atlas als einer topografischen Karte – die Grenzen sind unsichtbar, aber dennoch extrem wichtig." Bisherige Hirnkarten jedoch basierten oft nur auf einem Abgrenzungs-Parameter – sie zeigten nur die über ihre Funktion, ihre Konnektivität oder ihre Anatomie und Architektur identifizierbaren Areale. Diese jedoch stimmen nicht immer überein. Eine übergreifende Karte, die diese vier Parameter vereint, fehlte jedoch.

Eine solche übergreifende Karte haben nun Glasser und sein Team erstellt. Ihr neuer Atlas der Großhirnrinde fußt dabei maßgeblich auf der Arbeit des Human Connectome Projekt, in dessen Rahmen Forscher die Gehirne von 1.200 jungen Männern und Frauen mit Hilfe der Magnetresonanztomografie (MRT) analysiert hatten. Diese Daten zur Anatomie und den internen Nervenverbindungen im Cortex kombinierten die Forscher mit funktionellen MRT-Hirnscans von 210 weiteren Probanden. Diese spiegelten die Aktivität verschiedener Areale der Hirnrinde in Ruhe und bei sieben verschiedenen Tätigkeiten wider – beispielsweise dem Hören einer Geschichte, beim Bewegen der Hand oder Ähnlichem. Erst die Kombination all dieser Daten und ihre Auswertung mit Hilfe eines lernfähigen Algorithmus ermöglichte es Glasser und seinen Kollegen, herauszufinden, wie die Hirnrinde aufgeteilt ist – und das sowohl anatomisch als auch funktionell.

180 Areale auf jeder Seite

Das Resultat ist die bisher umfassendste und detaillierteste Karte der Hirnrinde. Sie zeigt 180 verschiedene Areale in jeder Hemisphäre, darunter 97 völlig neue, zuvor nicht als eigene Bereiche erkannte Areale. "Wir erwarten nicht, dass das schon die endgültige Zahl ist", betont Glasser. "Wir haben uns jetzt erst einmal darauf konzentriert, nur die Grenzen einzutragen, bei denen wir ziemlich sicher sind. Es gab aber in einigen Fällen Bereiche des Cortex, die wahrscheinlich noch unterteilt werden könnten, aber in denen wir auf Basis unserer jetzigen Daten und Techniken nicht zuverlässig eine Grenze ziehen können." Die 180 sicher identifizierten Hirnareale unterscheiden sich stark in ihrer Größe, ihrer Form und ihrer Lage in Bezug auf die Falten und Windungen der Hirnrinde. Die korrespondierenden Areale in beiden Hirnhälften jedoch sind verblüffend symmetrisch, wie die Forscher erklären.

Die neue Cortex-Karte zeigt auch, dass die Areale, die nur eine bekannte Funktion ausüben, in unserer Hirnrinde in der Minderheit sind. Zu diesen gehört unter anderem das neu identifizierte Areal 55b. Dieses knapp unterhalb des Scheitels liegende Gebiet wird aktiv, wenn wir eine Geschichte hören. Mehr als die Hälfte der jetzt kartierten Hirnbereiche lassen sich jedoch mit gleich mehreren Funktionen in Verbindungen bringen und bilden ein komplexes Mosaik, wie Glasser und seine Kollegen berichten: "Es gibt viele Areale, die eine kognitive Funktion haben und darüber hinaus mit einer oder mehreren sensorischen Aufgaben verknüpft sind." Interessant auch: Mit Hilfe des Algorithmus gelang es den Forschern, die Cortex-Areale automatisiert auch bei 210 neuen Probanden aufzuspüren und zu erkennen - trotz individueller Unterschiede in den Hirnwindungen. Ausgerechnet beim neu entdeckten Areal 55b jedoch gab es auffallende Abweichungen: Bei vier Prozent der neuen Probanden war das Areal leicht verschoben, bei sechs Prozent wird es von zwei angrenzenden Gebieten in zwei Teile geteilt. "Solche topologischen Abweichungen in den Arealkarten Einzelner werfen spannende Fragen für künftige Forschungen auf", konstatieren die Wissenschaftler.

Das steckt hinter der neuen Karte unseres Großhirnrinde (Quelle: Nature video)

Nach Ansicht von Glasser und seinen Kollegen ist ihre Hirnkarte ein wesentlicher Fortschritt gegenüber bisherigen Ansätzen. In der Vergangenheit war es nicht immer klar, ob zwei neuroanatomische Studien das gleiche Areal meinten oder nicht", erklären die Forscher. Das habe sich nun geändert. Ähnlich sieht es der Neurowissenschaftler Simon Eickhoff von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf: In einem begleitenden Kommentar in derselben Nature-Ausgabe schreibt er: Der Hirnatlas von Glasser und seinen Kollegen ist die erste multimodale Karte der Cortex-Areale - und sie repräsentiert einen bedeutenden Fortschritt in der Kartierung des menschlichen Gehirns." Jetzt liege es an den Forschern, die neu definierten Areale mit konkreter funktioneller und krankheitsrelevanter Information zu füllen.

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