Meilenstein für die Neurowissenschaften: Forschende aus Oldenburg und London haben erstmals einen 3D-Atlas vom Gehirn eines Zugvogels erstellt.
Zugvögel verfügen über bemerkenswerte Navigationsfähigkeiten. Bei ihren jährlichen Reisen zwischen Überwinterungs- und Brutgebiet kehren sie exakt an den Ort zurück, von dem aus sie gestartet sind. Dank eines neuen Gehirnatlas lassen sich die verschiedenen Sinneswahrnehmungen, die der Navigation zugrunde nun besser entschlüsseln. Ein Team des Exzellenzclusters NaviSense und des Sonderforschungsbereichs „Magnetrezeption und Navigation in Vertebraten“ an der Universität Oldenburg hat gemeinsam mit Forschenden des Sainsbury Wellcome Centre (SWC) am University College London (Großbritannien) den ersten digitalen, frei verfügbaren 3D-Gehirnatlas eines Zugvogels erstellt, und zwar von der Mönchsgrasmücke (Sylvia atricapilla).
Das Team verwendete hochauflösende Lichtmikroskopie, entwickelte Open-Source-Softwarewerkzeuge und dokumentierte die Prozesse, um von beliebigen Tierarten einen Gehirnatlas erstellen zu können. Der neue Atlas, der in der Zeitschrift Current Biology veröffentlicht wurde, stelle somit eine wertvolle Ressource für die Neurowissenschaften weltweit dar, betonen die Forschenden. Hauptautoren der Studie waren Dr. Dominik Heyers von der Universität Oldenburg sowie Dr. Simon Weiler und Dr. Adam Tyson vom SWC.
„Die 3D-Darstellungen sind atemberaubend – man kann auf der Ebene einzelner Nervenzellen eine virtuelle Tour durch das Gehirn eines Vogels machen“, sagt der Heyers, leitender Wissenschaftler im Oldenburger Sonderforschungsbereich „Magnetrezeption und Navigation in Vertebraten“. Die Möglichkeit, Nervenstrukturen und Nervenbahnen aus jeder Perspektive zu betrachten, sei beeindruckend und werde die Erkenntnisse über die neuronalen Grundlagen der Navigation entscheidend beschleunigen, so der Biologe.
Unbekannte Nervenbahn entdeckt
Ein Gehirnatlas ist eine Karte des Gehirns, in der die verschiedenen Gehirnstrukturen verzeichnet sind. Seit kurzem revolutionieren digitale, hochaufgelöste und dreidimensionale Modelle die Neurowissenschaften. Ihr Nutzen: Sie erlauben es, Daten besser zu interpretieren, Experimente zu überprüfen und spezifische Gehirnregionen zu charakterisieren. „Ein frei verfügbarer Gehirnatlas ermöglicht es Forschenden, ihre eigenen, mit unterschiedlichen Verfahren gewonnenen experimentellen Daten direkt in den gemeinsamen Koordinatenraum des Atlas zu überführen. Das schafft Konsistenz: Forschende weltweit können dann in derselben Sprache über das Gehirn sprechen“, erklärt Weiler, Senior Research Fellow am Sainsbury Wellcome Centre.
In der aktuellen Studie beschreibt das deutsch-britische Team erstmals eine bisher unbekannte Verbindung zwischen Hirnregionen, die bei der Magnetwahrnehmung eine Rolle spielen, und dem Entscheidungszentrum der Vögel, dem sogenannten Nidopallium caudolaterale (NCL). Damit zeige sich, wie der Atlas zur Entdeckung neuer Nervenbahnen im Gehirn beitragen könne, schreibt das Team.
Um den Atlas zu erstellen, nutzten die Forschenden am SWC das Verfahren der Multiphotonentomographie. Diese fortschrittliche Bildgebungstechnik lieferte hochpräzise Abbildungen mit einer Auflösung von 2 x 2 x 5 Mikrometern pro Volumenelement. Das Team scannte die Gehirne von acht männlichen Mönchsgrasmücken, glich die 3D-Bilder aus den individuellen Gehirnen Schritt für Schritt miteinander ab und mittelte die gefundenen Werte, um ein repräsentatives Gehirnmodell zu erzeugen.
Bessere Vergleichbarkeit
Anschließend annotierten Oldenburger Forschende diese Vorlage manuell. Sie identifizierten 44 Hirnareale, darunter die Hauptbereiche, wichtige anatomische Unterstrukturen, das sogenannte Gesangskontrollsystem und Sinnesregionen, die an der Wahrnehmung von Magnetfeldern beteiligt sind. Das Team aus Oldenburg und London demonstrierte zudem, wie sich verschiedene Typen von Nervenzellen automatisch detektieren, erfassen und den Gehirnregionen zuordnen lassen. Die Technologie ermöglicht es, sowohl frische als auch historische Gehirnproben auf den Atlas zu übertragen – selbst solche, die sich auf Objektträgern befinden und jahrelang archiviert waren.
„Aus meiner Sicht ist der Atlas ein zentrales Werkzeug, das die Forschung zur Tiernavigation entscheidend voranbringen wird. Die Vergleichbarkeit von Studien wird sich dadurch erheblich verbessern“, sagt Prof. Dr. Henrik Mouritsen von der Universität Oldenburg, Sprecher des Exzellenzclusters NaviSense und des Sonderforschungsbereichs Magnetrezeption, einer der Ko-Autoren der Studie.
Der neue 3D-Atlas der Mönchsgrasmücke ist kostenlos über die BrainGlobe-Plattform für Neurowissenschaftlerinnen und Neurowissenschaftler aus aller Welt verfügbar. BrainGlobe ist eine Initiative des Sainsbury Wellcome Centre und der Technischen Universität München, die Standards und Software für die Neuroanatomie entwickelt. Er soll kontinuierlich aktualisiert werden, um neue Erkenntnisse einzubeziehen.
„Das zentrale Ziel von BrainGlobe ist es, die computergestützte Neuroanatomie für möglichst viele Forschende zugänglich zu machen. Die Erstellung neuer Atlanten ist ein entscheidender Schritt dahin“, sagt Tyson, der die Neuroinformatik-Abteilung am Sainsbury Wellcome und die BrainGlobe-Initiative leitet. Alle Schritte des Prozesses seien frei zugänglich. „In den kommenden Monaten werden wir den Prozess weiter verbessern, damit wir – und jeder andere – schnell neue Atlanten erstellen können“, so der Forscher weiter.
Aktuell arbeitet das Team an einem digitalen 3D-Gehirnatlas des Zebrafinken (Taeniopygia guttata), einer Vogelart, die häufig in der Forschung zum Spracherwerb eingesetzt wird.
Die Studie wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB 1372 und EXC 3051), den Europäischen Forschungsrat (ERC), die Chan Zuckerberg Initiative, die Gatsby Charitable Foundation, den Wellcome Trust und die Alexander von Humboldt-Stiftung.
Dieser Text basiert auf einer Pressemitteilung des Sainsbury Wellcome Centre.