Indische Wissenschaftler stellen ANCHOR vor, den weltweit detailliertesten 3D-Atlas des menschlichen Hirnstamms

Die verborgene Schaltzentrale des Gehirns kartieren

Seit mehr als einem Jahrhundert erforschen Neurowissenschaftler das menschliche Gehirn ähnlich wie frühe Kartografen unbekannte Gebiete: Aus verstreuten Beobachtungen setzen sie ein weitläufiges Landschaftsbild zusammen. Noch heute untersucht ein Pathologe bei der Diagnose von Alzheimer typischerweise nur eine Handvoll Gewebeproben aus einem Organ, das rund 86 Milliarden Neuronen enthält. Durch dieses kleine Fenster bleibt ein Großteil des Gehirns unsichtbar.

Wissenschaftler am Sudha Gopalakrishnan Brain Centre (SGBC) am Indian Institute of Technology Madras (IIT-M) sind überzeugt, einen großen Schritt getan zu haben, um diese Lücke zu schließen. Sie haben nach eigenen Angaben den weltweit detailliertesten 3D-Atlas des menschlichen Hirnstamms auf zellulärer Ebene erstellt. Die digitale Karte mit dem Namen ANCHOR, kurz für „Atlas of Neurochemical Characterisation of the Human Brainstem with 3D Reconstruction“, ermöglicht es Forschern, von MRT-Aufnahmen des gesamten Gehirns bis zu einzelnen Nervenzellen zu navigieren und dabei jede Struktur an ihrem exakten Platz zu belassen.

Der Atlas vereint mehr als 500 Gewebeschnitte aus Gehirnen von Föten, Kindern und Erwachsenen. Acht chemische Marker, sogenannte Immunfärbungen, helfen dabei, verschiedene neurochemische Zelltypen voneinander zu unterscheiden. So werden mehr als 200 Zellcluster und Nervenbahnen im Hirnstamm erfasst. Anders als kostspieligere molekulare Atlanten basiert ANCHOR auf hochauflösenden Mikroskopbildern. Dadurch ist die detaillierte Kartierung auf zellulärer Ebene kostengünstiger und lässt sich leichter ausweiten.

Das Projekt wurde beim 3. BRICS Neuroscience Symposium 2026 am IIT Madras vorgestellt. An der Veranstaltung nahmen führende Vertreter aus Politik, Wissenschaft und Philanthropie teil. Die Vorstellung markierte sowohl einen wissenschaftlichen Meilenstein als auch eine wachsende Rolle Indiens in der internationalen Neurowissenschaft.

Warum der Hirnstamm die letzte große Grenze der Neurowissenschaft blieb

Der Hirnstamm nimmt an der Basis des Gehirns nur einen kleinen Bereich ein und hält doch den Menschen am Leben. Er verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark und steuert Atmung, Herzschlag, Blutdruck, Schlaf, Wachheit, Körpertemperatur und Bewegung. Schäden an winzigen Zellclustern in diesem Bereich können katastrophale Folgen haben. Seine dicht gepackte Architektur hat detaillierte Kartierungsversuche jedoch lange erschwert.

Dr. Mihail Bota, leitender Wissenschaftler am SGBC und einer der federführenden Forscher des Projekts, wies darauf hin, dass der Hirnstamm über das Rückenmark auch die lebenswichtige Verbindung zwischen Gehirn und restlichem Körper herstellt. Er enthält zehn der zwölf Hirnnerven und spielt eine wichtige Rolle bei autonomen Funktionen, der Emotionsregulation und zielgerichtetem Verhalten.

Die Kartierung dieses Bereichs ist besonders schwierig, weil Tausende Nervenzellen und Faserbahnen auf engem Raum dicht gepackt sind. Die Struktur ist äußerst heterogen. Verschiedene Kerne und Steuerzentren treten über sehr kurze Entfernungen hinweg auf und verschwinden wieder. Da sich der Hirnstamm bei lebenden Patienten nicht gefahrlos biopsieren lässt, sind Forscher auf Gewebe Verstorbener, dünne Schnitte, Färbungen, Bildgebung und computergestützte Rekonstruktionen angewiesen. Diese langsame, sorgfältige Arbeit hat Umfang und Detailgrad früherer Karten begrenzt.

Wissenschaftler haben die Gehirne mehrerer Tierarten mit bemerkenswerter Genauigkeit kartiert. Das menschliche Gehirn ist dagegen vergleichsweise wenig erforscht, weil detaillierte Untersuchungen menschlichen Hirngewebes selten sind. Jedes menschliche Gehirn ist einzigartig, und ethische, technische und logistische Hürden erschweren groß angelegte Studien. ANCHOR trägt dazu bei, diese Lücke zu schließen: Der Atlas bietet eine hochauflösende Referenz, die direkt auf menschlichem Gewebe basiert.

ANCHOR entsteht: von 500 Schnitten zum digitalen Atlas

Das ANCHOR-Team entwickelte eine Plattform für die Hochdurchsatz-Bildgebung und -Datenverarbeitung des Gehirns, die ganze menschliche Gehirne in 3D-Datenbanken mit zellulärer Auflösung überführt. Der Prozess beginnt nach der Entnahme eines gespendeten Gehirns, das innerhalb genau kontrollierter Zeitfenster verarbeitet wird. Der Hirnstamm, den Prof. Mohanasankar Sivaprakasam, Leiter des SGBC, als ungefähr karottenförmig beschrieb, wird in nur 10 bis 20 Mikrometer dicke Schnitte zerlegt. Ein Mikrometer entspricht etwa einem Fünftel der Breite eines menschlichen Haars; jeder Schnitt ist also außerordentlich dünn.

Anschließend werden die Schnitte chemisch und biologisch aufbereitet, digital kartiert und annotiert. Fortschrittliche KI-gestützte Bildgebungsverfahren und Hochleistungsrechner richten die Schnitte so präzise aus, dass sich der ursprüngliche Hirnstamm dreidimensional rekonstruieren lässt. Rund 20 Wissenschaftler analysierten 18 Monate lang mehr als 200 Gehirnschnitte von Hand und vereinten MRT-Aufnahmen, mikroskopische Anatomie und 3D-Rekonstruktion in einem einzigen Atlas.

Acht sich ergänzende Immunfärbungen wurden über die Gewebeschnitte gelegt. Diese chemischen Marker wirken wie Filter und heben unterschiedliche neurochemische Zelltypen hervor. So entsteht eine multimodale Ressource, die MRT, Blockflächenbildgebung und Histologie mit zellulärer Auflösung vereint. Forscher können jeden beliebigen Punkt im Hirnstamm mit verschiedenen Auflösungen und Färbemethoden untersuchen und so anatomische und chemische Details sichtbar machen, die sonst verborgen blieben.

Gehirne, die für eine solche Kartierung auf zellulärer Ebene vorgesehen sind, müssen unter strengen Bedingungen entnommen und verarbeitet werden. Das Team musste spezielle Protokolle entwickeln, um die Gewebeintegrität zu erhalten und Blutreste zu entfernen, die die Bildgebung beeinträchtigen könnten. Die Arbeit erforderte Fachwissen aus den Bereichen Neurowissenschaft, Neuroanatomie, Histologie, Bildgebung und Datenverarbeitung.

Die Lücke zwischen Aufnahmen des ganzen Gehirns und einzelnen Zellen schließen

Die moderne Neurowissenschaft hat lange in zwei getrennten Welten gearbeitet. MRT zeigt das gesamte Gehirn, liefert aber keine Details auf Zellebene. Mikroskope machen einzelne Zellen sichtbar, allerdings nur in isolierten Schnitten. Der räumliche Zusammenhang zwischen diesen Schnitten und der Gesamtstruktur geht häufig verloren. Dadurch können Ärzte und Forscher das Gehirn auf einer Aufnahme nicht ohne Weiteres mit seinem Aussehen unter dem Mikroskop in Verbindung bringen.

ANCHOR soll diese Kluft schließen. Nutzer können von der MRT-Ansicht des gesamten Hirnstamms bis zu einzelnen Neuronen heranzoomen und dabei deren genaue räumliche Beziehungen nachvollziehen. Diese Verknüpfung macht den Atlas so besonders. Er ist nicht einfach ein weiteres anatomisches Schaubild, sondern schlägt eine Brücke zwischen medizinischer Bildgebung und zellulärer Pathologie.

Dr. Rebecca Folkerth, Neuropathologin an der Harvard Medical School und der New York University, arbeitete mit dem SGBC-Team zusammen. In mehr als drei Jahrzehnten hat sie Tausende Gehirne untersucht. Die neue Ressource bezeichnete sie als Verwirklichung eines lang gehegten Berufswunsches.

Was das indische Zentrum geschaffen hat, entspricht im Grunde einem Traum, den ich seit Beginn meiner Laufbahn hatte: Hirnscans sollten mit der mikroskopischen Anatomie des Gehirns übereinstimmen.

Dr. Shubha Tole, eine indische Neurowissenschaftlerin am Tata Institute of Fundamental Research, bezeichnete das Projekt als „beispiellose Verbindung“ von Ingenieurwissenschaft, Neurowissenschaft und Medizin. Das Programm bringe Indien an den internationalen Tisch, sagte sie.

Dr. Partha Mitra, Gehirnforscher am Cold Spring Harbor Laboratory, der an der Konzeption und Einrichtung des Programms für menschliche Hirnhistologie am IIT Madras beteiligt war, sagte, detaillierte Gehirnatlanten könnten die Erforschung neurologischer Erkrankungen grundlegend verändern. Sie könnten Zelle für Zelle zeigen, wie sich von Krankheiten wie Alzheimer oder Autismus betroffene Gehirne von gesunden unterscheiden.

Von Parkinson bis Schlaganfall: Was ANCHOR sichtbar machen könnte

Der Atlas ist kein Diagnoseinstrument. Sein größter Wert liegt in den Fragen, die er Wissenschaftlern zu stellen ermöglicht. Durch den Vergleich gesunder Hirnstammkarten mit erkranktem Gewebe könnten Forscher Erkrankungen wie Parkinson und Schlaganfall, aber auch Alzheimer und das plötzliche Kindstodsyndrom (SIDS) besser verstehen.

Parkinson wird mit dem allmählichen Verlust dopaminproduzierender Nervenzellen in der Substantia nigra in Verbindung gebracht, einer Struktur im Hirnstamm. Ein Schlaganfall kann Gewebe auf eine Weise schädigen, die bislang nicht vollständig verstanden ist. Auch Alzheimer wird mit Veränderungen in Hirnstammregionen in Verbindung gebracht. Präzisere Karten könnten Neurochirurgen dabei helfen, einen der empfindlichsten Bereiche des Gehirns sicherer zu navigieren.

Dr. Folkerth nannte den Schlaganfall als Beispiel. Der Atlas habe neue Merkmale aufgedeckt, die Ärzten dabei helfen könnten, geschädigtes, aber noch nicht irreparabel zerstörtes Hirngewebe zu erhalten und so möglicherweise die Behandlungsergebnisse zu verbessern.

Dr. Mitra wies zudem darauf hin, dass Atlanten wie ANCHOR erklären könnten, wie Infektionen, darunter Covid-19, langfristige neurologische Schäden auslösen. Da der Hirnstamm Funktionen wie Atmung und Wachheit steuert, könnte ein besseres Verständnis davon, wie Viren oder Entzündungen seine Zellen beeinträchtigen, neue Forschungswege zu postinfektiösen Erkrankungen eröffnen.

Weitere Anwendungsgebiete könnten die Schlafmedizin, Entwicklungsstörungen und die Erforschung altersbedingter Veränderungen sein. Der Hirnstamm beginnt sich sehr früh in der Embryonalentwicklung zu entwickeln und knüpft wichtige neuronale Verbindungen, während sich der Fötus noch im Mutterleib befindet. Im späteren Leben verlieren mehrere Hirnstammstrukturen allmählich Neuronen. Diese normalen Entwicklungs- und Alterungsprozesse zu verstehen, ist unerlässlich, bevor Forscher krankheitsbedingte Veränderungen erkennen können.

Offene Wissenschaft, internationale Zusammenarbeit und die Vorstellung bei den BRICS

ANCHOR wurde beim 3. BRICS Neuroscience Symposium 2026 vorgestellt, das vom 5. bis 7. Juni am IIT Madras stattfand. Das Symposium brachte Neurowissenschaftler, Mediziner, Hochschulangehörige und Forscher aus den BRICS-Staaten zusammen. Bei der Vorstellung war Prof. Ajay Kumar Sood, wissenschaftlicher Chefberater der indischen Regierung, als Ehrengast anwesend. Ebenfalls dabei waren Kris Gopalakrishnan, Mitgründer von Infosys und wichtiger Unterstützer des SGBC, Prof. V. Kamakoti, Direktor des IIT Madras, sowie Prof. Mohanasankar Sivaprakasam, Leiter des SGBC.

Prof. Sood sagte bei der Veranstaltung, die Karten könnten dabei helfen, bestimmte Zellpopulationen zu identifizieren, die bei Hirnstammläsionen betroffen sind, was für klinische Anwendungen entscheidend sein könnte. Er bezeichnete das Projekt als bedeutende Leistung der Neurobiologie und würdigte das Zentrum dafür, Einrichtungen, Länder und Fachgebiete zusammenzubringen.

Dies ist eine bedeutende Leistung auf dem Gebiet der Neurobiologie. Es handelt sich um einen multimodalen Rahmen, der MRT, Histologie und eine detaillierte chemische Architektur verbindet. Er wird die detailliertesten und umfassendsten Karten des menschlichen Hirnstamms umfassen und öffentlich in digitaler Form zugänglich gemacht werden.

Für den Zugang zu Gewebe war das Projekt auch auf indische medizinische Einrichtungen angewiesen. Das CMC Vellore, das Government Kilpauk Medical College, das Sri Ramachandra Institute of Higher Education and Research sowie MediScan Systems halfen dabei, Gehirne von Menschen unterschiedlichen Alters und mit unterschiedlichem Hintergrund zu beschaffen. Diese Zusammenarbeit zwischen Krankenhäusern, Ingenieuren und Neurowissenschaftlern war für die Erstellung des Atlas entscheidend.

Die Forscher haben ANCHOR über die Website anchor.humanbrain.in öffentlich zugänglich gemacht. Der offene Zugang ist ein zentrales Element des Projekts. Das Team möchte den Atlas zu einer gemeinsam genutzten Infrastruktur machen und nicht zu einer begrenzten internen Ressource.

Das größere Vorhaben: 100 Gehirne über den gesamten Lebensverlauf und bei Erkrankungen kartieren

ANCHOR ist Teil eines umfassenderen Vorhabens des SGBC, umfassende Karten des menschlichen Gehirns auf Zellebene für verschiedene Lebensphasen und neurologische Erkrankungen zu erstellen. 2024 veröffentlichte das Zentrum DHARANI, einen detaillierten Atlas des sich entwickelnden fetalen Gehirns. Die Forscher arbeiten nun an weiteren Atlanten, die das dritte Schwangerschaftsdrittel, die frühe Kindheit und verschiedene neurologische Erkrankungen abdecken sollen.

Eines der laufenden Projekte ist ein detaillierter Atlas eines von einem ischämischen Schlaganfall betroffenen Gehirns, den das Team voraussichtlich im kommenden Jahr veröffentlichen wird. Das Zentrum plant, mehr als 100 vollständige menschliche Gehirne aus verschiedenen Lebensphasen und mit unterschiedlichen neurologischen Erkrankungen, darunter Alzheimer und Demenz, bildgebend zu erfassen. So soll eine Referenzsammlung entstehen, die zeigen könnte, wie Erkrankungen das Gehirn Zelle für Zelle verändern.

Prof. Sivaprakasam sagte, dieser Erfolg sei sowohl eine wissenschaftliche Leistung als auch eine Entwicklung, von der Medizin und klinische Praxis stark profitieren würden. Zum ersten Mal könnten Ärzte den Hirnstamm mit einer weit höheren Auflösung als bei MRT oder CT im Detail betrachten. Unter anderem erwartet er Anwendungen in der Hirnchirurgie.

Das Zentrum wird vor allem durch grundlegende Beiträge des Infosys-Mitgründers Kris Gopalakrishnan und seiner Frau Sudha Gopalakrishnan finanziert. Darüber hinaus erhält es Fördermittel von privaten Einrichtungen und philanthropischen Organisationen sowie Anschubfinanzierung von der indischen Regierung. Zum Team gehören inzwischen mehr als 200 Forscher, Ingenieure und Techniker, die mit Partnern aus rund 20 Ländern zusammenarbeiten.

Ich hoffe, dass dies einen wichtigen Beitrag zur Neurowissenschaft weltweit leisten wird. In Indien wissen wir, wie wichtig erschwingliche Wissenschaft und erschwingliche Technologie sind, denn letztlich müssen Technologie der Gesellschaft und den Menschen dienen.

Prof. Vidita A. Vaidya, leitende Professorin und Co-Vorsitzende der Abteilung für Biowissenschaften am Tata Institute of Fundamental Research, sagte, frei zugängliche Forschungsressourcen wie ANCHOR seien entscheidend, um die internationale Zusammenarbeit voranzubringen und Entdeckungen zu beschleunigen. Sie sieht Indien zu einem bedeutenden globalen Zentrum der Neurowissenschaft aufsteigen. Das SGBC sei in der Neuroanatomie führend und baue seine Arbeit auf die räumliche Transkriptomik aus, um molekulare Details mit Zellkarten zu verbinden.

Das Wichtigste

• Forscher am Sudha Gopalakrishnan Brain Centre des IIT Madras haben ANCHOR veröffentlicht, einen frei zugänglichen 3D-Atlas des menschlichen Hirnstamms mit zellulärer Auflösung.
• Der Atlas verbindet MRT, hochauflösende Histologie und acht neurochemische Marker anhand von mehr als 500 Gewebeschnitten aus Gehirnen von Föten, Kindern und Erwachsenen.
• Er erfasst mehr als 200 Hirnstammkerne und Faserbahnen und ermöglicht es Wissenschaftlern, von Aufnahmen des gesamten Gehirns bis zu einzelnen Nervenzellen zu navigieren.
• Der Hirnstamm steuert Atmung, Herzschlag, Blutdruck, Schlaf, Wachheit und Bewegung. Detaillierte Karten sind daher für die klinische Forschung unerlässlich.
• Mögliche Anwendungsgebiete sind die Erforschung von Parkinson, Schlaganfall, Alzheimer, Schlafstörungen und SIDS sowie die Planung neurochirurgischer Eingriffe.
• ANCHOR ist derzeit eine Forschungsressource und kein Diagnoseinstrument. Die Arbeit wurde als Vorabveröffentlichung auf bioRxiv veröffentlicht und wartet auf ein Peer-Review.
• Das SGBC plant, mehr als 100 vollständige menschliche Gehirne aus verschiedenen Lebensphasen und mit unterschiedlichen neurologischen Erkrankungen zu kartieren. Damit baut es auf früheren Arbeiten wie dem Atlas des fetalen Gehirns DHARANI auf.