Wie Wissenschaftler die Verschaltung des Gehirns kartieren

Was ist ein Konnektom?

Ein Konnektom ist eine vollständige Karte aller neuronalen Verbindungen in einem Gehirn – ein Schaltplan, der zeigt, welche Neuronen miteinander kommunizieren und über welche Art von Synapse. Der Begriff wurde 2005 unabhängig voneinander von dem Neurowissenschaftler Olaf Sporns an der Indiana University und dem Forscher Patric Hagmann am Universitätsspital Lausanne geprägt. Das Feld, das sich um diese Idee herum entwickelt hat, die Konnektomik, beruht auf einer einfachen Prämisse: Um zu verstehen, wie ein Gehirn funktioniert, muss man zuerst wissen, wie es verschaltet ist.

Man kann es sich so vorstellen, als würde man versuchen, einen Fehler in einem städtischen Stromnetz zu diagnostizieren. Ohne einen Schaltplan ist jede Reparatur ein Ratespiel. Die gleiche Logik gilt für das Gehirn – und für die Krankheiten, die es angreifen.

Von Würmern zu Fliegen: Ein kurzer Überblick

Das erste Konnektom entstand über Jahrzehnte. In den 1970er Jahren begann der Biologe Sydney Brenner mit seinem Team am MRC Laboratory of Molecular Biology, den Fadenwurm Caenorhabditis elegans in ultradünne Scheiben zu schneiden, jede einzelne unter einem Elektronenmikroskop zu fotografieren und jeden neuronalen Pfad mühsam von Hand zu verfolgen. Das Ergebnis, veröffentlicht im Jahr 1986, kartierte alle 302 Neuronen und etwa 7.000 Synapsen im Nervensystem des Wurms – der erste vollständige Schaltplan eines Tieres.

Es blieb das einzige vollständige Konnektom für fast vier Jahrzehnte. Dann veröffentlichte im Jahr 2024 ein großes internationales Konsortium, das von den U.S. National Institutes of Health finanziert wurde, das vollständige Konnektom der adulten Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) – ein enormer Sprung in der Komplexität. Das Gehirn der Fliege enthält etwa 139.000 Neuronen und über 54 Millionen Synapsen, veröffentlicht in neun Artikeln in Nature.

Wie die Kartierung des Gehirns funktioniert

Es gibt keine einzelne Technik zur Kartierung von Konnektomen. Die Methode hängt von dem Maßstab ab, den die Forscher benötigen.

Elektronenmikroskopie (Nano-Maßstab)

Für Neuron-für-Neuron-Karten schneiden Wissenschaftler Hirngewebe in Scheiben von nur wenigen zehn Nanometern Dicke – viel dünner als ein menschliches Haar – und bilden jede Scheibe mit einem Elektronenmikroskop ab. Software fügt dann Millionen von Bildern zusammen, und Forscher (oft mit Hilfe von KI) verfolgen den Pfad jedes Axons und Dendriten durch den Stapel. So wurden sowohl das Wurm- als auch das Fliegen-Konnektom erstellt. Es ist außerordentlich detailliert, aber langsam und teuer.

Diffusions-MRT (Makro-Maßstab)

Für lebende menschliche Gehirne verwenden Forscher die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (dMRI), die die Bewegung von Wassermolekülen entlang von Nervenfasern verfolgt. In Kombination mit Traktographie-Algorithmen kann dMRI die wichtigsten Weiß-Substanz-Autobahnen des Gehirns rekonstruieren – die Langstreckenkabel, die entfernte Regionen verbinden. Das Human Connectome Project, das 2009 von den NIH mit 40 Millionen Dollar finanziert wurde, nutzte diesen Ansatz, um 1.200 gesunde Erwachsene zu scannen und 180 verschiedene kortikale Bereiche zu identifizieren, darunter 97 bisher unbekannte Regionen.

RNA-Barcoding (Die neue Grenze)

Eine Technik namens Connectome-seq, veröffentlicht in Nature Methods im Jahr 2026, verfolgt einen radikal anderen Ansatz. Wissenschaftler weisen jedem Neuron einen eindeutigen RNA-"Barcode" zu. Gentechnisch veränderte Proteine transportieren diese Barcodes zur Synapse, wo präsynaptische und postsynaptische Tags Seite an Seite sitzen. Forscher isolieren dann Synapsen und verwenden Hochdurchsatzsequenzierung, um zu lesen, welche Barcode-Paare zusammen erscheinen – wodurch direkte Verbindungen zwischen Neuronen aufgedeckt werden, ohne jemals ein Mikroskop zu berühren. In seiner ersten Demonstration kartierte das Team über 1.000 Neuronen in einem Schaltkreis des Mausgehirns und entdeckte bisher unbekannte Verbindungen zwischen Zelltypen.

Warum es wichtig ist

Konnektom-Karten sind nicht nur akademische Übungen. Durch den Vergleich der Verschaltung gesunder Gehirne mit denen, die von Erkrankungen wie Alzheimer, Schizophrenie oder Autismus betroffen sind, hoffen Forscher, die spezifischen Veränderungen auf Schaltkreisebene zu identifizieren, die diese Störungen verursachen. Das Fruchtfliegen-Konnektom ermöglicht es Wissenschaftlern beispielsweise bereits, die genauen neuronalen Pfade hinter Verhaltensweisen wie Navigation und Entscheidungsfindung zu verfolgen – Schaltkreise mit überraschenden Parallelen zu Säugetiergehirnen.

Das ultimative Ziel ist ein vollständiges Konnektom des menschlichen Gehirns mit seinen etwa 86 Milliarden Neuronen und 100 Billionen Synapsen. Bei den derzeitigen Geschwindigkeiten ist das noch in weiter Ferne. Aber jede neue Technik – von der schnelleren Elektronenmikroskopie bis zum RNA-Barcoding – verkürzt den Zeitrahmen. Was Brenners Team einst ein Jahrzehnt brauchte, um es in einem Wurm zu kartieren, könnte schließlich im gesamten menschlichen Gehirn erreicht werden und die Neurologie von einer fundierten Vermutung in eine Präzisionsarbeit verwandeln.