Schwelgen Sie in diesen wunderbaren Zeichnungen des Vaters der Neurowissenschaften

Die Bilder sind eine Ikone für jeden, der einen Zeh in den riesigen und rätselhaften Pool der Neurowissenschaften getaucht hat: Ein zartes Verzweigungsmuster geht von einem kleinen schwarzen Fleck aus und umgibt ihn. Unterschiedliche Strichstärken deuten auf die dreidimensionale Struktur hin, die in der Zeichnung an einen kahl verzweigten Baum im Winter erinnert. Dies sind die Zeichnungen von Neuronen des spanischen Neuroanatomisten Santiago Ramón y Cajal.

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In fünf Jahrzehnten schuf Cajal (1852-1935) mehr als 2.900 Zeichnungen, in denen die Architektur des Nervensystems dargestellt wurde. Unzählige Stunden genauer Beobachtung informierten diese Zeichnungen und halfen ihm, zwei grundlegende Wahrheiten der Neuroanatomie zu erkennen. Zunächst folgerte er, dass das Gehirn aus vielen einzelnen Zellen, so genannten Neuronen, und nicht aus einer spinnennetzähnlichen Struktur fusionierter Zellen bestand (die Ansicht vieler seiner Zeitgenossen). Zweitens fließen die elektrischen Signale, die diese Zellen erzeugen, in eine Richtung durch die Neuronen: Verzweigungsdendriten empfangen den Puls, leiten ihn zum Hauptzellkörper und dann entlang ihrer Axone - lange Vorsprünge, die entfernte Teile des Gehirns verbinden können.

Für seine Arbeit teilte Cajal den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin von 1906 mit Camillo Golgi, einem Italiener, der die Methode zur Gewebefärbung erfand, mit der Cajal einzelne Neuronen untersuchte. Unglaublicherweise würde es Jahrzehnte dauern, bis andere Forscher seine Ansichten über die Struktur und Funktion des Gehirns bestätigen könnten. Jetzt gilt er als Vater der modernen Neurowissenschaften.

"Er war ein Genie und ein großartiger Wissenschaftler, der in der Lage war, Dinge zu sehen, die andere nicht sehen konnten", sagt Eric Newman, ein Neurowissenschaftler der Universität von Minnesota, der ein neues Buch über Cajal, das schöne Gehirn, mitherausgab : Die Zeichnungen von Santiago Ramón y Cajal, mit den Kollegen Alfonso Araque und Janet M. Dubinsky, ebenfalls Neurowissenschaftler an der Universität. Ihr Buch enthält mehr als 80 Zeichnungen von Cajal und ist der Begleiter einer Wanderausstellung, die am 28. Januar im Weisman Art Museum in Minneapolis eröffnet wird.

Das schöne Gehirn: Die Zeichnungen von Santiago Ramon y Cajal

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Wie das Buch und die Show zeigen, war Cajal ein begabter Künstler, und seine Beobachtungsgabe ließ ihn zum Titanen der Wissenschaftsgeschichte werden.

Die unglaubliche Schönheit von Cajals Zeichnungen ergibt sich aus dem komplexen Diktat der Neuronenbiologie und der dunklen Golgi-Färbemethode, die Cajal perfektioniert hat, aber seine Arbeit enthält noch etwas mehr. Viele der Bilder sind so informativ, dass sie auch heute noch im Neurobiologieunterricht verwendet werden. "Seine Zeichnungen sind immer noch die besten", sagt Newman. „Sie veranschaulichen so viele wichtige Punkte.“ Selbst moderne Bildgebungstechnologien können die Eleganz, mit der Cajal Form und Funktion verband, nicht übertreffen.

Das Buch ist in vier Hauptabschnitte unterteilt. Der erste Teil stellt die Menagerie verschiedener Zelltypen im Gehirn vor, von den üppig verzweigten Purkinje-Neuronen, die den Körper aufrecht und ausgeglichen halten, bis zu den spärlichen Neuronen, die die Muskelkontraktionen regulieren, die die Nahrung durch den Darm bewegen.

Der zweite Abschnitt zeigt, wie viele Zellen sich zu sensorischen Systemen integrieren. Hier erforschen Cajals Bilder, wie das Gehirn und die Sinnesorgane Gerüche, Bilder und Geräusche aufnehmen und verarbeiten. Der dritte Abschnitt enthält Zeichnungen von Neuronen, die in Schaltkreisen zusammenarbeiten und Wege aufbauen, die verschiedene Teile des Gehirns verbinden oder zu bestimmten Verhaltensweisen führen. Der letzte Abschnitt untersucht Bilder von Zellen, die wachsen, sich teilen und sterben.

Newman hat die Bildunterschriften für die Bilder geschrieben. "Von einer Zeichnung zur nächsten versuche ich, eine Geschichte zu erzählen, damit die Leute beim Lesen etwas über die Neurowissenschaften lernen können", sagt er. Aber seine Erklärungen sind alles andere als didaktisch; Stattdessen entfaltet sich die Geschichte des Nervensystems mitreißend und wird nicht zuletzt durch die visuelle Behandlung von Cajals Werk gelockert.

"Einige der Zeichnungen, die wir hauptsächlich wegen ihrer Schönheit ausgewählt haben", sagt Newman. Dann musste sich das Team mit Cajals Zeitschriften und wissenschaftlichen Originalarbeiten befassen, um den Kontext und die Bedeutung jeder Zeichnung besser zu verstehen.

Das Buch enthält auch einen Aufsatz von Larry W. Swanson, einem Neurobiologen an der University of Southern California, und einen weiteren, der von Lyndel King, Direktor und Chefkurator des Weisman Art Museum, und Eric Himmel, Chefredakteur von Abrams Books, mitgeschrieben wurde, der Verlag.

Swanson befasst sich mit Cajals Leben und wissenschaftlichen Errungenschaften und nennt ihn "einen faszinierenden, mehrdimensionalen, überlebensgroßen Charakter". König und Himmel erforschen seine Kunst und Methoden. Beide Aufsätze stammen aus der Autobiografie des Mannes, Erinnerungen an mein Leben .

Selbstporträt, aufgenommen von Cajal in seinem Labor in Valencia, als er Anfang dreißig war. 1885. (Mit freundlicher Genehmigung des Instituto Cajal del Consjo Superior de Investigaciones Científicas, Madrid, © 2017 CSIC) Selbstporträt, aufgenommen von Cajal in seiner Bibliothek, als er in den Dreißigern war. (Mit freundlicher Genehmigung des Instituto Cajal del Consjo Superior de Investigaciones Científicas, Madrid, © 2017 CSIC) Vier Selbstporträts von Cajal im Alter von 34 Jahren, 1886. (Mit freundlicher Genehmigung des Instituto Cajal del Consjo Superior de Investigaciones Científicas, Madrid, © 2017 CSIC)

Cajal wurde 1852 in einer kleinen Stadt im Nordosten Spaniens geboren und bezeichnete sich selbst als einen armen Studenten, schüchtern und nicht kontaktfreudig, schreibt Swanson. In jungen Jahren zeichnete er zwanghaft und wollte Künstler werden. Sein Vater, ein lokaler Arzt, wollte, dass er Arzt wird. Die beiden versöhnten sich, als Cajal entdeckte, wie sehr ihn der menschliche Körper faszinierte und sein Vater sah, wie hervorragend seine Zeichnungen für den Anatomieunterricht waren. Cajal besuchte eine örtliche medizinische Schule.

Nachdem die während des Militärdienstes aufgetretene Malaria Cajal zu schwach machte, um praktizierender Arzt zu werden, wandte er sich der Histologie zu, der mikroskopischen Untersuchung von Körpergeweben. Er hatte auch ein Gespür für poetische Erklärungen: Cajal schrieb, dass die Histologie ihm das "Summen des unruhigen Bienenstocks, den wir alle in uns haben" offenbarte. In einem selbstgebauten Labor in seinem Haus verfeinerte er sein Handwerk. Bei einem Besuch in Golgi in Italien lernte er die silberbasierte Methode kennen, bei der einige zufällige Neuronen tiefschwarz gefärbt werden und die Grundlage für seine Zeichnungen bildet.

Cajal destillierte oft Beobachtungen von Hunderten von Neuronen, um die einzigartig elegante Struktur in seinem endgültigen Bild zu zeichnen. King und Himmel stellen sich anhand eines seiner Selbstporträts seinen typischen Tag vor: Cajal sitzt mit mehreren Mikroskopen an einem Tisch, stützt den Kopf auf die Hand und starrt den Betrachter an. Chemikalienregale in Glasflaschen und befleckte Tücher auf dem Tisch zeugen von Gewebefärbungen, die auf tierischen Geweben, einschließlich von Kaninchen, Fröschen und Tauben sowie auf menschlichen Leichengeweben, durchgeführt wurden.

Die Essayisten erklären, dass Cajal durch das Mikroskop vor sich spähen und auf einer kleinen Zeichenfläche zur Seite skizzieren könne. Sie schreiben:

Er könnte eine Zeichnung mit Bleistift beginnen und später mit Tusche darüber nachdenken und Tusche- oder Aquarellfarben für Tonbereiche hinzufügen. Oft verbrachte er einen Morgen am Mikroskop, ohne zu zeichnen, und zeichnete nachmittags aus dem Gedächtnis zurück, um seine Beobachtungen zu bestätigen und zu überarbeiten. Wir können Spuren des Prozesses in weißen Bereichen sehen, mit denen er nicht zufrieden war.

Dieser mühsame Prozess war der Schlüssel zu Cajals Entdeckungen. "Man könnte behaupten, er war nur ein viel besserer Beobachter und in der Lage zu interpretieren, was er unter dem Mikroskop sah", sagt Newman.

Für Newman ist Cajals Arbeit von besonderer Resonanz. Newmans eigene Forschung konzentriert sich auf nicht-neuronale Zellen im Gehirn, die Glia genannt werden. Traditionell wurden diese Zellen als passive Unterstützungszellen angesehen, die zweite Geige der Neuronen. Erst in den letzten Jahren wurde diese Idee umgeworfen. Gliazellen sind wichtige Akteure, die die Verbindungen zwischen Neuronen fördern und verringern, die Signalübertragung von Neuronen modulieren und den Blutfluss im Gehirn regulieren. In einem weiteren Beispiel seiner Einsicht erkannte Cajal vor mehr als einem Jahrhundert die Bedeutung von Gliazellen.

"Er schlug tatsächlich vor, dass viele der Funktionen von Gliazellen, die wir jetzt herausfinden, wahr sind", sagt Newman.

Das Buch schließt mit einem abschließenden Aufsatz von Dubinsky, der Bilder des Gehirns und seiner Strukturen liefert und erklärt, die mit modernen Techniken erstellt und heute in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht werden. Dazu gehören eine Brainbow-Maus mit Neuronen, die in etwa 100 verschiedenen Farben fluoreszieren, und eine digitale Rekonstruktion des Endes eines Axons - basierend auf Elektronenmikroskopen und Experimenten zur Proteinidentifizierung - vollgepackt mit chemischen Botenstoffen, die darauf warten, ausgeschüttet und versendet zu werden Informationen zur nächsten Zelle. Ihre mehrfarbige Pracht hebt hervor, was Cajal richtig gemacht hat und wie weit das Verständnis der Wissenschaftler seit seiner Zeit fortgeschritten ist.

Sogar die Wissenschaftsschüchternen können die visuelle Pracht von Cajals Zeichnungen schätzen und wie gründlich sie die Geheimnisse des Gehirns beleuchten, die so entmutigend wirken können wie das Universum selbst. "Wenn wir uns heute seine Zeichnungen ansehen", schreiben King und Himmel in ihrem Aufsatz, "sehen wir keine Diagramme oder Argumente, sondern das erste klare Bild dieser abgelegenen Grenze, gezeichnet von dem Mann, der am weitesten in ihre unendlichen Weiten gereist ist."

The Beautiful Brain wurde am 17. Januar veröffentlicht und ist käuflich zu erwerben. Die Begleitausstellung mit den Originalzeichnungen von Cajal ist vom 28. Januar bis 21. Mai im Weisman Art Museum in Minneapolis zu sehen. New York City; Cambridge, Massachusetts; und schließlich Chapel Hill, North Carolina.