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Ordnung im Dschungel der Hirnrindenstruktur

Jülicher Hirnforscher in der heutigen Ausgabe von „Science“

Jülich, 30. März 2012 – Rund 20 Milliarden Nervenzellen arbeiten über Synapsen, Transmitter, Rezeptoren und Faserstränge in etwa 200 verschiedenen Regionen der Großhirnrinde zusammen. Täglich werden neue Details bekannt. Doch nur die Entdeckung grundsätzlicher Regeln im Dschungel der Hirnstruktur kann einen Weg zum Verständnis dieser unvorstellbar komplexen Organisation eröffnen. Wie die Jülicher Neurowissenschaftler Prof. Katrin Amunts und Prof. Karl Zilles in der heutigen Ausgabe des „Science“-Magazins ausführen, unterstützen aktuelle Forschungsergebnisse die Theorie einer geometrisch geordneten und hierarchisch arbeitenden „Schaltzentrale“.

In ihrem Perspektivpapier zeigen Katrin Amunts und Karl Zilles, dass neueste Forschungsarbeiten – so unterschiedlich deren Ansätze auch sind – Gesetzmäßigkeiten in der Organisation der Hirnrinde und der darunter liegenden weißen Substanz belegen. Der Wissenschaftler Chi-Hua Chen von der University of San Diego, USA, und seine Kollegen fanden heraus, dass die zahlreichen Hirnrindenregionen des Menschen topographischen Regeln folgen, die auf einer genetisch bedingten, hierarchischen Organisation beruhen. Van J. Wedeen von der Harvard Medical School in Charlestown, USA, und seine Kollegen konnten hinter dem scheinbar chaotischen Verlauf von Fasersträngen in der weißen Substanz des Gehirns mit Hilfe eines mathematischen Modells eine unerwartet geordnete Geometrie erkennen: Faserstränge bilden orthogonale Systeme, was mit den Wachstumsrichtungen während der Embryonalentwicklung erklärt wird.

Für die Jülicher Neurowissenschaftler sind diese Ergebnisse ein weiterer Beleg für die These hierarchischer und geometrisch geordneter Organisationsprinzipien der Hirnstruktur: „Diese Forschungsarbeiten sowie unsere eigenen Ergebnisse zur räumlich geordneten Zell- und Rezeptor-Architektur der Hirnrinde lassen Regeln erkennen, die den Prinzipien der Hirnevolution und der individuellen Hirnentwicklung entsprechen“, erläutert Karl Zilles. Auf Basis der neuen Forschungsergebnisse lässt sich ein realistisches Modell des menschlichen Gehirns weiterentwickeln, das biologischen und mathematischen Organisationsprinzipien folgt und die molekularen und zellulären Details in dreidimensionalen Hirnkarten erfasst. „So können die Algorithmen zur Berechnung der die Hirnregionen verbindenden Faserbahnen vereinfacht und die normale oder durch Erkrankungen veränderte Hirnstruktur und
-funktion besser verstanden werden“, erklärt Katrin Amunts. Die Jülicher Neurowissenschaftler arbeiten seit über zehn Jahren gemeinsam an einem dreidimensionalen Hirnmodell auf der Basis von strukturellen, funktionellen, genetischen und molekularen Daten.

3D-Polarized Light ImagingDie in Jülich entwickelte dreidimensionale Bildgebung mit polarisiertem Licht (3D-Polarized Light Imaging, 3D-PLI) ermöglicht die räumliche Darstellung von Nervenfaserbahnen im menschlichen Gehirn mit einer Auflösung von bis zu einem tausendstel Millimeter. So können selbst kleinste Faserverbindungen (hier dargestellt als dreidimensionale Röhren oder "tubes") mit bislang unerreichtem Detailreichtum sichtbar gemacht werden.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Originalarbeiten:
Chi-Hua Chen, E. D. Gutierrez, Wes Thompson, Matthew S. Panizzon, Terry L. Jernigan, Lisa T. Eyler, Christine Fennema-Notestine, Amy J. Jak, Michael C. Neale, Carol E. Franz, Michael J. Lyons, Michael D. Grant, Bruce Fischl, Larry J. Seidman, Ming T. Tsuang, William S. Kremen, Anders M. Dale, Hierarchical Genetic Organization of Human Cortical Surface Area, Science Vol. 335, p. 1634
DOI: 10.1126/science.1215330

Van J. Wedeen, Douglas L. Rosene, Ruopeng Wang, Guangping Dai, Farzad Mortazavi, Patric Hagmann, Jon H. Kaas, Wen-Yih I. Tseng,The Geometric Structure of the Brain Fiber Pathways, Science Vol. 335, p. 1628
DOI: 10.1126/science.1215280

Karl Zilles and Katrin Amunts, Segregation and Wiring in the Brain, Science Vol. 335, p. 1582
DOI: 10.1126/science.1221366

Ansprechpartner:
Prof. Katrin Amunts, Tel.: 02461 61-4300, Mail: k.amunts@fz-juelich.de

Prof. Karl Zilles, Tel.: 02461 61-6443, Mail: k.zilles@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Dr. Barbara Schunk, Tel.: 02461 61-8031, Mail: b.schunk@fz-juelich.de
Erhard Zeiss, Tel.: 02461 61-1841, Mail: e.zeiss@fz-juelich.de


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