BrainModes Group - Petra Ritter

Das Gehirn ist ein anpassungsfähiges und hochkomplexes System. Wie die einzelnen Komponenten zusammenwirken und zu geistigen Leistungen gelangen, darüber ist allerdings nach wie vor wenig bekannt. Das Forscherteam um Privatdozentin Dr. Petra Ritter setzt daher auf personalisierte Simulationen, um Zusammenhänge innerhalb des Gehirns aufzudecken.

Mathematisches Mikroskop

Gehirnfunktionen können auf vielen verschiedenen Ebenen untersucht werden. So ist es möglich, Daten von einzelnen Nervenzellen, kleinen neuronalen Netzwerken und dem gesamten Gehirn zu messen. Jedoch gibt es bislang keine Methode, die gleichzeitig Daten auf den verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen erheben kann. Daher ist sehr wenig darüber bekannt, wie die verschiedenen Ebenen in der Gesamtheit zusammenwirken. Zelluläre Vorgänge mit konkretem Wahrnehmen, Verstehen und Verhalten in Verbindung zu verbinden, ist noch immer schwierig. Ziel ist es daher, ein theoretisches Gerüst zu erstellen, das die verschiedenen Ebenen miteinander verbindet und quantifiziert.

Wir wollen sichtbar machen, wie Informationen im Gehirn fließen, um neurologische Prozesse und Krankheitsbilder aufschlüsseln zu können. Dazu fließen individuell erhobene Daten in Simulationen des Gehirns. Derzeit sind funktionelle bildgebende Verfahren nur begrenzt für den einzelnen Patienten nutzbar, individuelle Vorhersagen können meist nicht getroffen werden. Das gilt es zu ändern und eine Art 'mathematisches Mikroskop' für das Gehirn zu entwickeln. Ziel soll sein, dass Computersimulationen in Kombination mit Bildgebung die verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen im Gehirn verknüpfen.

Elektroenzephalographie, funktionelle Magnetresonanztomographie und Diffusionstensor-Bildgebung sind Teil des methodischen Repertoires, mit dem das Team um Dr. Ritter die Struktur und Funktion von Gehirnen vermisst. Es handelt sich um Methoden, die sehr große Datensätze produzieren. Die Herausforderung besteht darin, alle diese Daten in eine zusammenhängende Theorie und am Ende in einem Modell des Gehirns zusammenzufügen. Gemeinsam mit internationalen Kooperationspartnern haben die Forscher eine Plattform mit dem Titel 'The Virtual Brain' entwickelt. Mathematische Gehirnmodelle von einzelnen Personen können hier standardisiert und reproduzierbar berechnet werden. Die Open-Source-Plattform ermöglicht nicht nur die Zusammenarbeit vieler Forscherteams weltweit, sondern regt auch zum Austausch an. Denn beides ist für das Vorhaben entscheidend: möglichst viele Daten und übergreifende Theorien.

Die aufwändigen und detaillierten Simulationen werden auf Supercomputern gerechnet und tragen dazu bei, die Gehirnaktivität, insbesondere mit Blick auf mögliche Fehlfunktion, besser zu verstehen. Anhand dieser Avatare wollen wir in der Zukunft Vorhersagen für Erkrankungen und mögliche Verläufe treffen können. Dabei geben unsere Methoden Aufschluss über die Wirkweisen anatomischer und pharmakologischer Interventionen, ebenso können sie Schlüssel zur Entdeckung neuer Biomarker und Therapien sein.

Ressourcen

  • 2016-2021 H2020, Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) Consolidator Grant: Personalized whole-brain simulations - linking connectomics and dynamics in the human brain
  • 2016-2019 Bundesministerium für Bildung und Forschung, US-German Collaboration in Computational Neuroscience Connectomics and large-scale dynamics of the human brain
  • 2010-2016 JS McDonnell Foundation, Brain Network Recovery Group: Understanding brain network dynamics and how it relates to recovery of function
  • 2009-2016 Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bernstein Focus State Dependencies of Learning. Collaboration between 7 research groups from 5 different institutions in Germany. The goal is to link empirical data on learning obtained invasively from the microscopic scale with empirical neuroimaging data of learning and identify the underlying biophysical mechanisms with cross-scale computational modeling
  • 2015-2017 Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Development of a mobile app for commercial brain computer interfaces using The Virtual Brain Technology