Deutsche Forscher veröffentlichen ersten 3D-Atlas des menschlichen Gehirns

Bild: Forschungszentrum Jülich / Katrin Amunts

Ein Gespräch mit der Spitzenforscherin Katrin Amunts über Erkenntnisfortschritte, Herausforderungen der KI und ein gesundes Gehirn

Falls es einen Moment in meinem Leben gab, in dem ich bereute, nicht Medizin studiert zu haben, dann wahrscheinlich diesen: Katrin Amunts, Direktorin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) am Forschungszentrum Jülich und Professorin für Hirnforschung an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, hielt in meiner Zeit als Doktorand am Universitätsklinikum Bonn einen Gastvortrag über Neuroanatomie. Wie sie über die Windungen (lateinisch Gyri) und Furchen (Sulci) der Großhirnrinde referierte, verkörperte sie förmlich die Faszination für ihr Fach, wie ich sie sonst allenfalls bei meinem jahrelangen Ko-Blogger, dem Frankfurter Anatomen Helmut Wicht, erlebt habe.

Neben zahlreichen anderen wissenschaftlichen Funktionen, auch beim Human Brain Project, war Frau Amunts von April 2012 bis April 2020 Mitglied des Deutschen Ethikrats. Im August veröffentlichte sie mit, unter anderem, ihrem langjährigen und kürzlich leider verstorbenen Mentor Professor Karl Zilles in Science das Ergebnis von einem Vierteljahrhundert Forschung: den "Jülich Brain" genannten 3D-Atlas des menschlichen Gehirns.

In bisher ungekannter Genauigkeit kann jetzt jeder die rund 180 verschiedenen Regionen der menschlichen Großhirnrinde online nachschlagen. Da die mikroskopische Kartierung eines einzigen Gebiets rund ein Arbeitsjahr kostet, stecken darin etwa 200 Arbeitsjahre. Für die Zukunft der Hirnforschung ist insbesondere von Bedeutung, dass sich damit individuelle Unterschiede zwischen uns Menschen genauer quantifizieren lassen.

Frau Professorin Amunts, von wie vielen menschlichen Gehirnen haben Sie in Ihrem Leben schon Gewebe gesehen?
Katrin Amunts: Es waren sicher weit über hundert.
Und was faszinierte Sie so sehr an der Neuroanatomie?
Katrin Amunts: Ich interessierte mich von Anfang an für die Zytoarchitektur, also das Aussehen und die Verteilung der Nervenzellen in unserem Gehirn. Diese Ordnung auf der Ebene einzelner Zellen in Schichten und Säulen der Großhirnrinde erlaubt Aussagen über deren Funktion, auch bei Erkrankungen. Und das alles hängt natürlich mit den kognitiven Funktionen zusammen, unserem Denken, Fühlen und Verhalten.
Von den rund 86 Milliarden einzelnen Nervenzellen unseres Gehirns hin zu den psychischen Funktionen ist es aber doch ein weiter Weg.
Katrin Amunts: Mein Interesse kam und kommt schon auch von der psychologischen Seite, also den gerade von Ihnen genannten Fähigkeiten. Zwischen diesen und den Milliarden einzelnen Zellen liegen die neurophysiologischen Funktionen, beispielsweise die Aktivitäten großer Zellnetzwerke. Die Ästhetik und Ordnung der Zellen im Gehirn faszinierten mich schon immer.
Das Verständnis dieser Strukturen läuft aber ins Leere, wenn man nicht versteht, wofür das Gehirn als Ganzes da ist. Denken Sie zum Beispiel an einen Patienten, bei dem durch einen Schlaganfall das Sprachzentrum geschädigt ist und der nicht mehr richtig sprechen kann oder das eine oder andere nicht versteht. Wie genau hängt das damit zusammen, welche konkreten Hirnareale und deren Verbindungen beschädigt wurden und lassen sich daraus eine bessere Therapie und Rehabilitationsmaßnahmen ableiten?

Aufgabe für Mensch oder KI?

Im "Jülich Brain" steckt ein unvorstellbarer Arbeitsaufwand. Wie stark lässt sich die Identifikation der Nervenzellen und Gehirngebiete automatisieren? Haben KI-Algorithmen hier vielleicht zu einem Durchbruch geführt?
Katrin Amunts: Künstliche Intelligenz wird tatsächlich immer wichtiger. Wir arbeiteten bisher mit einer Kombination verschiedener statistischer Verfahren und der Bildverarbeitung, um die Grenze zwischen Gehirnarealen reproduzierbar zu bestimmen. Das würden wir gerne noch weiter objektivieren, also noch unabhängiger von der Expertise des einzelnen Wissenschaftlers machen, und wir wollen den zeitlichen Aufwand der Kartierungen deutlich senken.
Es stellte sich aber heraus, dass man das nicht voll automatisieren kann. Das hängt vor allem auch mit dem Unterschied der menschlichen Gehirne voneinander zusammen: Zwar hat jeder von uns beispielsweise bestimmte motorische Areale für die Kontrolle von Bewegungen oder visuelle Areale fürs Sehen. Die Architektur der Zellen in diesen Arealen, also ihre genaue Anordnung, kann sich von Mensch zu Mensch aber sehr stark unterscheiden. Darum müssen wir uns jedes einzelne Gehirn und darin jedes einzelne Gebiet selbst ganz genau anschauen.
Neuronale Netze lernen bestimmte Parameter, ähnlich wie das auch in einem echten Gehirn passiert. Interessanterweise kommen diese Netze schließlich zu ähnlichen Kategorien, wie diejenigen, mit denen wir Gehirnareale voneinander unterscheiden. Als Forscher wollen wir aber auch besser verstehen, was so ein Neuronales Netz genau tut. Doch da stehen wir noch am Anfang.
Für den Laien - ebenso wie für die heutige KI - kaum sichtbar, ändert sich an der Grenze zwischen zwei Arealen (gestrichelte Linie) die Architektur der Nervenzellen. Auf solchen Unterschieden basiert der neue probabilistische 3D-Atlas des Gehirns. Die römischen Zahlen markieren verschiedene Schichten in der Großhirnrinde. Bild: Forschungszentrum Jülich / Katrin Amunts
Sie sagten gerade "objektiv". Aber führt so ein KI-Algorithmus nicht schlicht die Anweisungen aus, die ihm ein Mensch einprogrammiert?
Katrin Amunts: Wir geben keine festen Kriterien vor, sondern trainieren ein Neuronales Netz mit Test-Datensätzen, in denen wir die Gehirnareale bereits kartiert haben. Danach nimmt das Netz die Unterscheidung selbstständig vor. Das ist eine andere Art der Analyse als die, die wir vorher hatten. Und diese führt übrigens zu neuen Forschungsfragen: Unsere Gehirne mit ihren natürlichen Neuronalen Netze haben Strukturen, um beispielsweise Kanten und Texturen zu erkennen. Lösen künstliche Neuronale Netze das auf ähnliche Weise, wenn sie letztlich zu denselben Ergebnissen kommen?

Jedes Gehirn ist individuell

Sie erklärten gerade, dass die individuellen Unterschiede zwischen den Menschen der automatisierten Kartierung im Wege stehen. Am Anfang unseres Gesprächs wiesen Sie aber auf den engen Zusammenhang zwischen der Zellstruktur und den psychischen Funktionen hin. Heißt das nicht, dass das Gehirn von jedem von uns anders arbeitet?
Katrin Amunts: Wir sehen zwar in allen Gehirnen, die wir untersucht haben, die gleichen Gebiete. Diese können wir sogar mathematisch beschreiben. Innerhalb dieser Gemeinsamkeiten gibt es aber eine gewisse, zum Teil sogar beträchtliche Variabilität, die wir ebenfalls quantifizieren können. Was bedeutet das nun für die Funktion?
Denken Sie an eine einfache Sprachaufgabe: Nennen Sie zum Beispiel die Namen der ersten zehn Blumen, die Ihnen einfallen. Jetzt erinnert sich jemand vielleicht an ein Lied, in dem es um Blumen geht. Eine andere Person könnte aber in Gedanken das Blumenbeet des eigenen Gartens ablaufen. Wir können dieselbe Aufgabe also kognitiv unterschiedlich lösen. Menschen haben hier verschiedene Stile und Strategien. Und diese hängen wahrscheinlich auch mit strukturellen Unterschieden zusammen, wie wir sie festgestellt haben.
Denken Sie denn, dass sich diese beiden Ebenen - Zellstrukturen und Psychologie - eines Tages nahtlos verbinden lassen werden?
Katrin Amunts: Ich bin Naturwissenschaftlerin und gehe von der Erkennbarkeit der Organisations des Gehirns aus. Es ist jedoch eine offene Frage, ob und wie die Kategorien von Psychologie oder sogar Soziologie und Kultur zur zellulären Organisation des Gehirns passen. Wichtig ist aber doch, dass es hier Interaktionen in beide Richtungen gibt: Das Gehirn steuert unser Verhalten - und die Umwelt sowie unser soziales Miteinander haben einen großen Einfluss auf das Gehirn.
Diese Art von Wechselbeziehungen ist hochkomplex. Ich denke, dass wir diese Komplexität noch nicht erfassen können. Wahrscheinlich wird man sie nicht zu 100% auflösen können. Dank wissenschaftlicher Forschung sind aber doch wichtige Erkenntnisse über unser Verhalten hervorgetreten, die früher nicht einmal im Ansatz vorhanden waren. Denken Sie insbesondere an die Verarbeitung der Sinnesreize oder den Bewegungsapparat. Diese Funktionen können wir heute recht gut erklären und das hat Bedeutung bis in die Klinik.

Ist angewandte KI mächtiger als Forschung?

Sie haben sich als Hirnforscherin gerade für den Nutzen von KI-Verfahren ausgesprochen. Ist es aber nicht ernüchternd, wenn nun Unternehmen wie Facebook oder Google schlicht aufgrund von Verhaltensdaten weitreichende psychologische Zusammenhänge über uns Menschen herstellen können - und das, ohne auch nur unsere Körper, geschweige denn unsere Gehirne im Detail zu untersuchen?
Katrin Amunts: Ich empfinde das nicht als Ernüchterung. KI-Verfahren - wie im Übrigen auch Computersimulationen - sind Werkzeuge. Wenn man sie richtig anwendet, kann man beispielsweise falsche Annahmen ausschließen. Allerdings kann man Modelle zurzeit nicht so komplex machen, um damit alle relevanten Faktoren abzubilden. Und ich glaube auch nicht, dass KI die Antwort auf alle Fragen ist.
Aus wissenschaftlicher Sicht stellt sie aber eine große Herausforderung dar: Wie kommt so ein Neuronales Netz auf ein bestimmtes Ergebnis? Hier könnte die Hirnforschung gefragt sein, um für mehr Transparenz zu sorgen. Vielleicht nimmt sie eine Vermittlerrolle zwischen Informatikern und der Gesellschaft ein. Als ethisches Problemgebiet fällt mir hierzu beispielsweise die immer weiter personalisierte Art von Information ein, mit der wir in Suchmaschinen konfrontiert sind: Denken Sie daran, wie uns bestimmte Produkte präsentiert werden und damit unser Verhalten beeinflusst werden kann. Wie können wir uns als Bürgerinnen und Bürger vor Manipulationen schützen?

Alte Gehirnkarte abgelöst

Kommen wir noch einmal konkreter auf "Jülich Brain" zu sprechen. Noch heute wird in der bildgebenden Hirnforschung die über 100 Jahre alte Gehirnkarte des deutschen Neuroanatomen Korbinian Brodmann (1868-1918) zur Identifikation von Gehirngebieten verwendet. Lässt sich sagen, um wie viel genauer Ihr neuer 3D-Atlas ist?
Katrin Amunts: Hier liegen mehr als 100 Jahre dazwischen, in denen sehr viel passiert ist. Brodmanns mikroskopische Arbeit ist sicher beachtlich, sonst hätte sie nicht so lange überdauert. Während seine Beschreibungen des Gehirns an vielen Stellen zutrafen, wissen wir aber seit 50 bis 60 Jahren, dass sie in anderen Bereichen nicht stimmten, beispielsweise bei den visuellen Arealen.
Ein wesentlicher Unterschied ist, dass Brodmann nur eine einzige Gehirnhälfte untersuchte. Damit fehlte schon einmal ein Links-Rechts-Vergleich. Die Karte zeigt auch keine Unterschiede zwischen Gehirnen. Das war ein Grund für uns, die Gehirne von zehn Personen zu untersuchen. Damit können wir für jeden Messpunkt die Wahrscheinlichkeit dafür berechnen, in welcher Gehirnregion er liegt. Das ist ein Aspekt der Variabilität, über die wir vorher gesprochen haben.
Und nicht zuletzt haben wir einen Atlas im dreidimensionalen Raum erzeugt, während sich Brodmann und viele andere nach ihm mit zweidimensionalen Schnittbildern begnügen mussten. Das sollte man nicht unterschätzen, denn wir Menschen bewegen uns auch im dreidimensionalen Raum und unser Gehirn repräsentiert diesen Raum auf der Ebene der Nervenzellen. Zwischen den Herangehensweisen vor mehr als 100 Jahren und heute liegen Welten.
Brodmann unterschied 43 Regionen des Großhirns. In Ihrer neuen Arbeit schreiben Sie von ungefähr 180. Wieso weiß man deren Zahl noch nicht genau?
Katrin Amunts: Wir haben jetzt ca. 70% der Oberfläche der Großhirnrinde kartiert. Es gibt also Gebiete, die noch nicht fertig bestimmt sind. Diese Lücken gibt es, weil die Arbeit extrem aufwändig ist. Man weiß noch nicht genau, ob in diesen Zwischenräumen drei oder fünf Areale sind. Bedenken Sie, dass die Kartierung eines einzelnen Gebiets ein Arbeitsjahr kostet - bei fast 200 von ihnen steckt unglaublich viel Zeit drin.
Sie sprachen schon mehrmals die Individualität jedes Gehirns an, die jetzt in ihrem Atlas quantifiziert wurde. Lässt sich allgemein sagen, wie einzigartig das Gehirn von jedem von uns ist?
Katrin Amunts: Menschen unterscheiden sich in der Gehirngröße, in der Art der Faltung der Großhirnrinde und in deren Architektur. Das sind alles strukturelle Eigenschaften, von denen man aber annimmt, dass sie funktionell relevant sind. Interessant ist, dass Areale weniger variabel sind, je näher sie an den Sinnesorganen und je älter sie evolutionär sind. Für mich ist diese Variabilität kein Zufallsrauschen, sondern etwas, das ich gerne verstehen möchte.
Bild: Forschungszentrum Jülich / Katrin Amunts

Vom Gehirn zur Psychologie

Lassen sich diese Unterschiede denn schon psychologisch deuten?
Katrin Amunts: Wir haben einmal ein Gehirn eines Sprachgenies untersuchen können: von einem Mann, der über 60 Sprachen beherrschte und sein Gehirn der Forschung zur Verfügung stellte. Wir verglichen sein Sprachzentrum mit dem von zwölf anderen Gehirnen. Dabei stellten wir tatsächlich eine andere Zellstruktur und andere Asymmetrien fest. Das Sprachzentrum dieses Manns war im Vergleich zu den Kontrollen ein "Ausreißer", der sich von anderen deutlich unterschied. Das ist ein starker Hinweis darauf, dass die Architektur der Zellen etwas mit der Funktion - hier dem Sprachvermögen - zu tun hat.
Solche Untersuchungen an Gehirnen verstorbener Menschen erlauben es natürlich nicht mehr, die psychischen Funktionen zu untersuchen. Auf der anderen Seite haben wir jetzt Verfahren der bildgebenden Hirnforschung, die wir beim lebendigen Menschen anwenden können. Da lässt sich aber die Mikrostruktur nicht gut untersuchen. Unser "Jülich Brain" ist als Bindeglied zwischen diesen beiden Welten gedacht - wir wollen Hirnaktivierungen aus modernen bildgebenden Untersuchungen den mikroskopischen Karten gegenüberstellen, um mehr über den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion zu erfahren.
Werden aber durch Ihren 3D-Atlas nun nicht die Ergebnisse von 50 Jahren bildgebender Hirnforschung gewissermaßen widerlegt, weil diese Studien die individuellen Unterschiede zwischen den Menschen nur unzureichend oder gar nicht berücksichtigten?
Katrin Amunts: Diese älteren Studien entsprechen dem damaligen Stand der Forschung. Jetzt kann man viel genauer hinschauen und man kann bildgebende Untersuchungen in großen Kohorten durchführen. Mir ist wichtig, einem Gebiet nicht nur irgendeinen Namen zu geben, sondern wirklich zu verstehen, was sich dahinter verbirgt - welche zelluläre Architektur steckt dahinter, wie sieht die Verbindungsstruktur mit anderen Hirnarealen aus und wie sind die molekularen, funktionellen und genetischen Eigenschaften. Darum finden Sie in unserem Atlas zu vielen Gebieten auch Verweise zu Originalpublikationen, in denen die Struktur genauer beschrieben ist.

Langfristige Forschungsprojekte

Ich glaube, inzwischen dürfte jedem deutlich geworden sein, was für ein Mammutprojekt das "Jülich Brain" ist. In der heutigen Wissenschaftslandschaft ist Förderung oft nur auf drei oder vielleicht maximal fünf Jahre ausgelegt. Wie haben Sie und Herr Zilles es geschafft, Ihr Projekt über ein Vierteljahrhundert umzusetzen? Gab es in dieser Zeit auch schwierige Perioden, in der das Projekt zu scheitern drohte?
Katrin Amunts: Ich bin sehr dankbar dafür, dass wir ein Wissenschaftssystem mit den Sonderforschungsbereichen der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) haben, mit der Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), mit der Helmholtz-Gesellschaft, die das Forschungszentrum Jülich trägt, und seit einigen Jahren auch Förderung der Europäischen Union. Von Vorteil war es, dass wir das große Projekt in viele kleine Teile zerlegt haben, die auch schon klinische oder psychologische Anwendungen hatten. So konnten wir uns Schritt für Schritt voranarbeiten.
Es gab in den 25 Jahren natürlich auch schwierige Zeiten. Wir mussten ständig neue Methoden entwickeln, in Software implementieren, Abläufe vereinheitlichen und Qualitätskontrollen einführen. Wirklich zu scheitern drohte es aber nie. Wir haben fortwährend daran gearbeitet, die Verfahren zu verbessern und mehr zu automatisieren. Stellen Sie sich ein Schiff vor, bei dem man noch einen Mast aufstellt und die Segel näht, während es aus dem Hafen ausläuft. So haben wir unseren Ansatz immer weiter angepasst, während wir an dem Projekt gearbeitet haben.

Hirnforschung in den Medien

Kommen wir zum Schluss noch auf eine allgemeinere Frage: In den letzten zwanzig bis dreißig Jahren sind mehrere führende Hirnforscher mit starken Äußerungen zu traditionell eher philosophischen oder rechtswissenschaftlichen Themen an die Öffentlichkeit getreten. Wie haben Sie das wahrgenommen? Und wo sehen Sie am ehesten einen Zusammenhang zwischen diesen Gebieten und der Hirnforschung?
Katrin Amunts: Kontroverse Diskussionen gehören zur Wissenschaft dazu und ich begrüße das sehr. Das bedeutet auch, dass man mitunter Aussagen hört, die über das Ziel hinaus schießen. Verschiedene Forscher haben verschiedene Temperamente, so wie alle anderen Menschen auch. Zum Problem wird das, wenn die Dinge zu vereinfacht dargestellt werden und die nötige wissenschaftliche Tiefe und Qualität verlorengehen. Einen hohen wissenschaftlichen Anspruch zu verfolgen halte ich für sehr wichtig. Auch und besonders, wenn es über traditionelle Fächergrenzen hinaus geht.
Nehmen wir das Beispiel Schuldfähigkeit im Strafrecht: Heute werden hierzu mitunter psychologisch-psychiatrische Gutachten erstellt. Es geht um komplizierte Fragen und weitreichende Folgen für die Angeklagten, beispielsweise mit Blick auf langjährige Strafen und Vorhersagen in Bezug auf zukünftiges Verhalten. Es wäre doch ein wichtiger Schritt, hier der Entscheidungsfindung zur Hand gehen zu können und so irgendwann die Gutachten etwas objektiver zu machen. Die Schnittmenge mit den Erkenntnissen der Hirnforschung und Kognitionswissenschaften halte ich für offensichtlich.
Oder denken Sie an die Dual Use-Problematik, wenn etwa Wissen aus der Psychologie oder den Neurowissenschaften verwendet wird, um Menschen zu manipulieren. Wie sollte man Gesetze anpassen, um uns vor solchen Anwendungen zu schützen? Solche Fragen zeigen, wie wichtig es ist, die Mauern zwischen den Disziplinen abzubauen. Und international sehen wir ja auch, dass hieran immer mehr gemeinsam und interdisziplinär geforscht wird.

Zum gesunden Gehirn

Als Ärztin und auch als Forscherin, die mehr Gehirne unter dem Mikroskop als die meisten anderen Menschen gesehen hat: Was würden Sie den Leserinnen und Lesern empfehlen, um möglichst lange ein gesundes Gehirn zu erhalten?
Katrin Amunts: Die Beantwortung hat vielleicht nicht nur mit Hirnforschung, sondern auch mit Erfahrungen zu tun, die man während des Lebens macht: Es scheint mir wichtig, neugierig und offen zu bleiben, sich zu bewegen und Sport zu machen und immer wieder zu versuchen, die eigenen Grenzen zu überwinden.
Aus der Hirnforschung wissen wir inzwischen, dass es kognitive Reserven gibt, die wir nutzen können. Das Gehirn verfügt über ein erstaunliches Maß an Plastizität und kann sich, zum Beispiel durch Lernen, an veränderte Bedingungen zu einem gewissen Grad anpassen.
Klar ist jedoch, dass sich konkrete Ratschläge nicht allein von der Ebene der Mikroanatomie oder aus unseren Kartierungen ableiten lassen. Aber wir können mit genaueren Karten und 3D-Atlanten den Neurologen, Kognitionspsychologen und anderen ein wesentlich besseres Fundament für ihre Einschätzungen zur Verfügung stellen.