Simulationsplattform für Studium der Gehirnfunktionen

Verschiedene Gehirndarstellungen mittels Computergrafik
Die Open-Source-Software The Virtual Brain dient zur personalisierten Simulation von Gehirnen (Foto: Jessica Palmer/The Virtual Brain)

Wissenschaftler der Charité – Universitätsmedizin Berlin und des Berliner Instituts für Gesundheitsforschung (BIH) haben durch Einbeziehung von Patientenmessdaten die Simulationsplattform „The Virtual Brain“ optimiert. 2012 als Open-Source-Simulationsplattform gestartet, wurde die Software mittlerweile fast 11.000 mal heruntergeladen. Weltweit wird mit der Software gearbeitet und publiziert. Aktuelle Erkenntnisse wurden jetzt im wissenschaftlichen Journal eLife veröffentlicht.

Um den komplexen Aufbau und die vielfältigen Funktionen des Gehirns zu entschlüsseln, sind große Datenmengen aus verschiedensten Quellen erforderlich. Diese Daten müssen in Computersimulationen wie Puzzleteile zusammengeführt werden, um die Mechanismen von Gehirnfunktion zu verstehen. Genau hierzu wurde die Gehirnsimulationsplattform „The Virtual Brain“ entwickelt.

Die Software ist in der Lage, die Messdaten einer Person in individuellen, patientenspezifischen Modellen zu vereinigen. Sie simuliert anhand der Daten Patientengehirne und wird wie ein mathematisches Mikroskop eingesetzt: So lassen sich Interaktionen zwischen Nervenzellen nachzuvollziehen, die am Menschen nicht direkt messbar sind. Mit dieser Methode ziehen die Wissenschaftler Rückschlüsse, wie die neuronalen Schaltkreise des Gehirns miteinander interagieren, die den beobachteten Gehirnsignalen zugrunde liegen. Das internationale Projekt wird von Professorin Dr. Petra Ritter von der Klinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie mit zwei Kollegen aus Toronto und Marseille geleitet.

Gehirnprozesse räumlich und örtlich verstehen

Unter Leitung von Ritter wurde ein neuartiger Ansatz entwickelt. Eine Art Haube zeichnet die messbaren elektrischen Gehirnsignale von der Kopfoberfläche eines Patienten als Elektroenzephalogramm (EEG) auf. Diese Informationen werden anschließend in das personalisierte Computermodell integriert. Das Modell simuliert dann Hirnaktivitäten, die sich sonst nur in einem großen Bildgebungsgerät, dem Magnetresonanztomografen, messen lassen. Tatsächlich ließen sich mit dem Modell sechs verschiedene Prinzipen von Gehirnaktivität berechnen, die bisher nur teilweise und invasiv an Tieren messbar waren. Das Modell konnte dabei genau beschreiben, wie diese Prozesse zusammenwirken, um bestimmte Gehirnfunktionen zu erzeugen. Damit bestätigte sich die Hypothese, dass durch die Einbindung von EEG-Daten in das Computermodell sehr viel genauere Gehirnsimulationen möglich sind. Sie gestatten es, Gehirnprozesse räumlich und örtlich exakter aufzulösen und somit besser zu verstehen.

„Die neue Methode der Gehirnsimulation erlaubt es, Messdaten und Theorien zur Funktionsweise des Nervensystems in einem umfassenden physiologisch und anatomisch realistischen Modell zu vereinen“ erklärt Ritter. Ein solches Verfahren ist in vielen Bereichen der Neurowissenschaft von großem Nutzen, um neue Hypothesen aufzustellen und zu testen. Die Konstruktion individueller Modelle anhand von Patientendaten ist hierbei ein speziell entwickelter Ansatz. Sie haben das Potential, bei gesunden ebenso wie bei kranken Personen individuelle Unterschiede in der Funktionsweise des Gehirns aufzudecken.

Größere Patientengruppen einbinden

Im nächsten Schritt werden größere Gruppen von Patienten untersucht, um beispielsweise die Mechanismen bei Epilepsie, Schlaganfall und Demenz zu entschlüsseln. Professorin Dr. Petra Ritter erläutert die aktuellen Forschungsbestrebungen: „Die Software hat das Potential Patienten direkt zu helfen. In einer in Frankreich gestarteten klinischen Studie wird aktuell getestet, wie die Technologie bei chirurgischen Eingriffen die Heilung von Epilepsie unterstützen kann. Neurochirurgen simulieren den Eingriff zunächst am virtuellen Gehirn des Patienten und können so das Ergebnis optimieren.“

App entwickelt

Aber auch die breite Bevölkerung könnte bald vom „Virtual Brain“ profitieren. Die an der Charité entwickelte BrainModes-App für Smartphones und Tablets erlaubt es mit kommerziell erhältlichen Neuroheadsets das eigene Gehirn besser kennenzulernen. Die Forscher an der Charité werden diese Technologie weiterentwickeln, so dass sie in Zukunft auch die Steuerung von Maschinen, Computern und Exoskeletten durch Gedanken ermöglicht.