Schönheit des Gehirns

Ist das menschliche Gehirn mit all seinen Fähigkeiten zur Problemlösung und Kreativität stark genug, um sich selbst zu verstehen? Nichts im bekannten Universum (mit Ausnahme des Universums selbst) ist komplexer; Das Gehirn enthält ungefähr 100 Milliarden Nervenzellen oder Neuronen, von denen jede mit Tausenden anderer Gehirnzellen kommunizieren kann.

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Da es sich bei Primaten in erster Linie um visuelle Kreaturen handelt, ist es für uns vielleicht am besten, das Gehirn klar zu erkennen. Das war das Ziel seit 125 Jahren, seit der spanische Wissenschaftler Santiago Ramón y Cajal begann, einen Fleck zu verwenden, der einzelne Neuronen markierte. Er spähte durch ein Mikroskop auf die gefärbten Zellen und die verzweigten Projektionen, mit denen sie sich mit anderen Neuronen verbanden. "Hier war alles einfach, klar und konfus", schrieb er über seine Beobachtungen, den Beginn der modernen Neurowissenschaften.

Seitdem haben Wissenschaftler Methoden entwickelt, um die spezifischen Aufgaben zu bestimmen, auf die sich verschiedene Gehirnregionen spezialisieren. Einige Neuronen, die der Sehverarbeitung gewidmet sind, erkennen beispielsweise nur horizontale Linien, während andere Gefahren wahrnehmen oder Sprache produzieren. Die Forscher haben Karten erstellt, in denen dargestellt wird, wie Hirnregionen, die nicht aneinander angrenzen, durch lange Strecken zellulärer Projektionen verbunden sind, die als Axone bezeichnet werden. Die neuesten Mikroskoptechniken decken Neuronen auf, die aufgrund von Erfahrungen ihre Form ändern und möglicherweise ein Gedächtnis aufzeichnen. Die Fähigkeit, das Gehirn in neuem Licht zu sehen, hat in den letzten Jahrzehnten zu einer Fülle von Erkenntnissen geführt.

Jetzt werden die Streifzüge der Wissenschaftler in dieses Universum anders genutzt - als Kunstobjekte. Carl Schoonover, Neurowissenschaftler in Ausbildung an der Columbia University, hat faszinierende Bilder des Gehirns für ein neues Buch, Portraits of the Mind (Abrams), gesammelt. "Es handelt sich um echte Daten, nicht um Interpretationen von Künstlern", sagt er. „Das sehen Neurowissenschaftler in ihren Mikroskopen, MRT-Geräten oder elektrophysiologischen Systemen. Die Neurowissenschaften existieren aufgrund dieser Techniken. “

Durch das Ausleihen eines Gens aus fluoreszierenden Quallen und das Einfügen in die DNA von Würmern oder Mäusen im Labor haben Wissenschaftler Neuronen zum Leuchten gebracht. Die Färbetechnik von Cajal funktionierte nur bei Obduktionsgewebe und markierte Neuronen zufällig. Mit den neuen Farbstoffen konnten Wissenschaftler jedoch „Neuronen in lebenden Tieren und Geweben untersuchen“, wie Joshua Sanes von der Harvard University in einem Aufsatz in dem Buch festhält.

Eine der neuesten Methoden beruht auf einem Gen, das Algen lichtempfindlich macht. Wenn man Neuronen beleuchtet, die das Gen enthalten, kann sich ihr Verhalten ändern. „Mit den Fortschritten können wir die Aktivitäten einzelner Zellen und Zelltypen mithilfe von Lichtstrahlen manipulieren“, schreibt Terrence Sejnowski vom Salk Institute for Biological Studies.

Das Gehirn bleibt rätselhaft, aber die Muster in diesen Bildern - reiche Wirbel neuronaler Verbindungen, unerwartete Symmetrien und Schichten von Strukturen - regen Wissenschaftler dazu an, zu glauben, dass sie es noch entziffern werden. Schoonover seinerseits hofft, "die Leser zum Nachdenken zu bringen, dass es sich lohnt, herauszufinden, was die Bilder sind und warum sie so schön sind."

Laura Helmuth ist Chefredakteurin bei Smithsonian .

Die Fotografien stammen aus Portrait of the Mind: Visualisierung des Gehirns von der Antike bis zum 21. Jahrhundert von Carl Schoonover, herausgegeben von Abrams.

Im reich geschichteten Hippocampus werden Erinnerungen wachgerufen. Die drei Hauptkomponenten des Hippocampus in diesem Mausgehirn sind mit Buchstaben versehen. (Tamil Weissman, Jeff Lichtman und Joshua Sanes (2005) / Abrams Books) Unter den richtigen Bedingungen entstehen Muster aus der monumentalen Komplexität des Gehirns. Eine der neuesten Anwendungen der Magnetresonanztomographie verfolgt den Wasserfluss in den Zellen und deckt so Nervenbahnen auf, die Verbindungen über große Entfernungen im Gehirn herstellen. In diesem Bild eines Gehirns verlaufen blaue Bereiche zwischen oben und unten, rote zwischen rechts und links und grüne zwischen vorne und hinten. (Patric Hagmann (2006) / Abrams Books) Die Bildgebung des Gehirns hat sich von der groben Anatomie zu komplexen Schaltkreisen entwickelt. In diesem ersten bekannten neurowissenschaftlichen Diagramm von Ibn al-Haytham, um 1027, sind die Augen und Sehnerven dargestellt. (Ibn al-Haytham (um 1027) / Mit freundlicher Genehmigung der Süleymaniye-Bibliothek, Istanbul / Abrams Books) Santiago Ramón y Cajals Zeichnung von 1914 eines dicken Neuronenkörpers, der von Ranken anderer Neuronen umschlungen ist. (Santiago Ramón y Cajal (1914) / Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Juan A. de Carlos, Vermächtnis von Cajal, Instituto Cajal (CSIC) / Abrams Books) Die Form, die ein Neuron annimmt, wird durch seine Funktion bestimmt, ebenso wie die Art und Weise, wie eine Gruppe von Neuronen organisiert ist. Hier sind helle, längliche Cluster in einem Teil des Mausgehirns zu sehen, die empfindlich auf Berührung reagieren. Jeder verarbeitet neuronale Signale von einem anderen Whisker. (Lasani Wijetunge und Peter Kind, 2008 / Abrams Books) Ein dichtes Netzwerk von empfindlichen Blutgefäßen treibt all diese Gehirnaktivität an und ist die Grundlage für einige bildgebende Verfahren. (Alfonso Rodríguez-Baeza und Marisa Ortega-Sánchez (2009) / Abrams Books) Dies ist keine abstrakte Kunst - es ist eine Darstellung der neuronalen Aktivität im Gehirn eines Affen. Dieser Teil des Gehirns, der so genannte visuelle Kortex, ist einer der ersten Teile des Gehirns, der Informationen aus den Augen erhält. Der visuelle Kortex ist auf einfache Formen wie gerade Linien abgestimmt. Dem Affen wurden Linien in verschiedenen Ausrichtungen gezeigt, und die verschiedenen Farben repräsentieren Kortexstücke, die an einem bestimmten Linientyp besonders interessiert sind. Grün hervorgehobene Neuronencluster sind beispielsweise aktiv, wenn der Affe eine vertikale Linie sieht. Gelbe Neuronencluster sind auf horizontale Linien abgestimmt. (Mit freundlicher Genehmigung von Jewgenij B. Sirotin) Wenn das Gehirn gut funktioniert, sind die verschiedenen Teile durch lange Fasern verbunden, die als Axone bezeichnet werden (siehe Foto 2). Aber wenn das Gehirn beschädigt ist (wie in diesem Bild von einem Patienten, der einen Schlaganfall in einem Teil des Gehirns namens Thalamus erlitten hat), brechen die Verbindungen zusammen. (Mit freundlicher Genehmigung von Henning U. Voss) Neuronen kommunizieren miteinander, indem sie Chemikalien wie Dopamin aus Beuteln freisetzen, die als Vesikel bezeichnet werden. Die Vesikel, die hier in einer Fibroblastenzelle zu sehen sind, haben eine geodätische äußere Beschichtung, die schließlich durch die Seite der Zelle springt und ihre chemische Botschaft abgibt, um von den Nachbarn der Zelle erkannt zu werden. (Bild von John Heuser, MD) Unsere Zellen sind von einem Gerüst aus Proteinen umgeben, das die Form einer Zelle beibehält. Unter einem Elektronenmikroskop sehen Proteinfasern, die als Aktinfilamente bezeichnet werden, wie geflochtene Seile aus. (Bild von John Heuser, MD) Der Hippocampus ist der Sitz der Erinnerung. Wenn es beschädigt ist, können Sie sich an Dinge erinnern, die lange vor der Verletzung passiert sind, aber Sie können keine neuen Erinnerungen aufbauen. (Mit freundlicher Genehmigung von Thomas Deerinck und Mark Ellisman) Wir danken dem Kleinhirn - dem gewundenen Gewebelappen im hinteren und unteren Bereich des Gehirns - für Ihre Fähigkeit, zu tanzen oder Fahrrad zu fahren. Es dreht sich alles um motorische Koordination. In diesem gefärbten Stück Kleinhirngewebe sind die als Glia bezeichneten Stützzellen blau und die als Purkinje-Neuronen bezeichneten Zellen grün. Purkinje-Neuronen sind einige der größten Neuronen im Gehirn und haben ausgedehnte Verzweigungsnetzwerke von Projektionen, die als Dendriten bezeichnet werden. (Mit freundlicher Genehmigung von Thomas Deerinck und Mark Ellisman) Vor einigen Jahren haben Neurowissenschaftler herausgefunden, wie man zwei fluoreszierende Proteine, die grün oder rot leuchten, in einen Regenbogen mit verschiedenen Farben verwandelt, der in einzelne Neuronen eingebaut werden kann. Hier wird die Technik angewendet, um Zellen im Kleinhirn anzufärben. Das Ergebnis? Ein "Brainbow". (Die Brainbow-Maus wurde von J. Livet, TA Weissman, H. Kang, RW Draft, J. Lu, RA Bennis, JR Sanes und JW Lichtman hergestellt.) Der dicht geschichtete Hippocampus, der sich als entscheidend für das Gedächtnis herausstellt, war Gegenstand dieser Zeichnung von Joseph Jules Dejerine aus dem Jahr 1895. (Fotografie von Dwight Primiano, Anatomie des centres nerveux . Paris, Rueff, 1895-1901) Carl Schoonovers Buch enthält Aufsätze einiger der weltweit führenden Neurowissenschaftler. (Mit freundlicher Genehmigung von Abrams Books)