Die Kartierung des menschlichen Konnektoms bietet eine einzigartige Gelegenheit, die neuronale Konnektivität im Detail zu verstehen (Sporns et al., 2005, Wedeen et al., 2008, Hagmann et al., 2007). Das Human Connectome Project (HCP) ist ein Projekt zur Erstellung einer Karte der vollständigen strukturellen und funktionellen neuronalen Verbindungen in vivo innerhalb und zwischen Individuen. Das HCP stellt den ersten groß angelegten Versuch dar, Daten von ausreichendem Umfang und Detaillierungsgrad zu sammeln und auszutauschen, um damit zu beginnen, grundlegende Fragen zur Anatomie und Variation der menschlichen Verbindungen zu klären.

Human Connectome Project Pamphlet (Web-Auflösung)

USC-Harvard Consortium

Durch eine Zusammenarbeit zwischen dem Laboratory of Neuro Imaging und dem Martinos Center for Biomedical Imaging am Massachusetts General Hospital, wird das HCP entwickelt, um fortschrittliche Neuroimaging-Methoden einzusetzen und eine umfassende Informatikinfrastruktur aufzubauen, um diese Daten und Konnektivitätsmodelle mit detaillierten phänomischen und genomischen Daten zu verknüpfen, wobei auf bestehenden multidisziplinären und gemeinschaftlichen Bemühungen aufgebaut wird. In Zusammenarbeit mit dem HCP-Konsortium, das an der Washington University in St. Louis angesiedelt ist, werden wir reichhaltige Daten, wichtige Bildgebungsprotokolle und hochentwickelte Tools zur Analyse der Konnektivität für die Neurowissenschaft bereitstellen.

Das Human Connectome Project ist ein Fünfjahresprojekt, das von sechzehn Komponenten der National Institutes of Health gesponsert wird und auf zwei Konsortien von Forschungseinrichtungen aufgeteilt ist. Die Finanzierung des Harvard/MGH-USC-Konsortiums erfolgt über den Zuschuss U01-MH93765. Einen Überblick über die Konsortien finden Sie im NIH Blueprint Human Connectome.

Methoden

Das HCP nutzt wichtige wissenschaftliche Bereiche, die zusammen eine stetige Freigabe von immer detaillierteren Connectomics-Daten und -Tools ergeben. Erstens haben wir damit begonnen, Daten für die Freigabe eines sehr großen bestehenden konnektomischen, verhaltensbezogenen und genomischen Datensatzes zu sammeln, einschließlich einer großen Stichprobenstudie an MZ/DZ-Zwillingen, die eine breite Beteiligung der größeren Forschungsgemeinschaft am HCP fördern wird. Diese reichhaltigen Daten werden es uns auch ermöglichen, genetische (Chiang et al., 2009) und verhaltensbedingte Variationen der Faserbahnen der weißen Substanz und funktionelle Korrelationen für die Analyse durch die gesamte Gemeinschaft zu quantifizieren und eine optimierte Methodik für die Sammlung eines endgültigen Konnektom-Datensatzes unter Verwendung von DSI (V. J. Wedeen, 2005) zu definieren. Gleichzeitig arbeiten wir an der Verfeinerung und Optimierung der räumlichen und funktionellen Auflösung unserer Connectome-Neuroimaging-Techniken, um dann die Ergebnisse beider Ziele in die Erfassung der optimierten HCP-Daten einfließen zu lassen, die dann mit der Gemeinschaft geteilt werden sollen, sobald die Daten erfasst sind. Darüber hinaus umfassen unsere Konnektom-Bemühungen die Erfassung von hochauflösenden Neuroimaging-Daten in einer kleinen Untergruppe von Ex-vivo-Ganzhirnproben sowie eine detaillierte chemo- und zytoarchitektonische Analyse und planare Polarimetrie dieser Proben, die es uns ermöglichen, die Korrelation zwischen der Zytoarchitektur und dem Konnektom zu untersuchen (Burgel et al., 2006), sowie unsere In-vivo-Ergebnisse zu validieren. Währenddessen werden wir kontinuierlich eine wichtige Infrastruktur aufbauen und verfeinern, um die Analyse, die Datenerfassung und -abfrage sowie die weitreichende Verbreitung unserer Daten und Informatikwerkzeuge zu unterstützen.

Ergebnisse

Dieses Projekt verfolgt derzeit die folgenden Ziele: 1) Entwicklung von hochentwickelten Werkzeugen zur Verarbeitung von Hochwinkel-Diffusion (HARDI) und Diffusionsspektrum-Bildgebung (DSI) von normalen Individuen, um die Grundlage für die detaillierte Kartierung des menschlichen Konnektoms zu schaffen; 2) Optimierung von fortschrittlichen Hochfeld-Bildgebungstechnologien und neurokognitiven Tests zur Kartierung des menschlichen Konnektoms; 3) Sammlung von Konnektom-, Verhaltens- und Genotyp-Daten unter Verwendung optimierter Methoden in einer repräsentativen Stichprobe normaler Probanden; 4) Entwicklung und Einsatz einer robusten, webbasierten Informatik-Infrastruktur; 5) Entwicklung und Verbreitung von Materialien zur Datenerfassung und -analyse sowie zur Ausbildung und Schulung.

Schlussfolgerungen

Durch dieses umfassende Projekt zur Kartierung der weißen Substanz werden wir der neurowissenschaftlichen Forschungsgemeinschaft eine neuartige Ressource für die Konnektomik zur Verfügung stellen, die einen bedeutenden Einfluss auf die Verbesserung unseres Verständnisses der reichhaltigen neuroanatomischen Vernetzung des menschlichen Gehirns haben wird.

BURGEL, U., AMUNTS, K., HOEMKE, L., MOHLBERG, H., GILSBACH, J. M. & ZILLES, K. (2006) White matter fiber tracts of the human brain: three-dimensional mapping at microscopic resolution, topography and intersubject variability. Neuroimage, 29, 1092-105.

CHIANG, M. C., BARYSHEVA, M., SHATTUCK, D. W., LEE, A. D., MADSEN, S. K., AVEDISSIAN, C., KLUNDER, A. D., TOGA, A. W., MCMAHON, K. L., DE ZUBICARAY, G. I., WRIGHT, M. J., SRIVASTAVA, A., BALOV, N. & THOMPSON, P. M. (2009) Genetics of brain fiber architecture and intellectual performance. J Neurosci, 29, 2212-24.

HAGMANN, P., KURANT, M., GIGANDET, X., THIRAN, P., WEDEEN, V. J., MEULI, R. & THIRAN, J.-P. (2007) Mapping Human Whole-Brain Structural Networks with Diffusion MRI. PLoS ONE, 2, e597.

SPORNS, O., TONONI, G. & KOTTER, R. (2005) The human connectome: A structural description of the human brain. PLoS Comput Biol, 1, e42.

V. J. WEDEEN, P. H., W.-Y. I. TSENG, T. G. REESE UND R. M. WEISSKOFF. (2005) Mapping complex tissue architecture with diffusion spectrum magnetic resonance imaging. . Mag. Res. Med., 54, 1377-86.

WEDEEN, V. J., WANG, R. P., SCHMAHMANN, J. D., BENNER, T., TSENG, W. Y., DAI, G., PANDYA, D. N., HAGMANN, P., D’ARCEUIL, H. & DE CRESPIGNY, A. J. (2008) Diffusion spectrum magnetic resonance imaging (DSI) tractography of crossing fibers. Neuroimage, 41, 1267-77.