Das komplexeste System der Welt #
Kaum eine Woche vergeht ohne neue Erkenntnisse über das menschliche Denkorgan. Doch wie weit ist die Hirnforschung wirklich? #
Von der Wiener Zeitung (Freitag, 12. August 2016) freundlicherweise zur Verfügung gestellt.
Von
Eva Stanzl
Foto: Nature/Glasser/Van Essen
Die Liste der Fortschritte hat etwas von einer ewig grünen Wiese, auf der bunte Superlative wachsen: „Detaillierteste Landkarte der Gehirn- Funktionen erstellt“. „Eine Milliarde Euro für den Nachbau unseres Denkorgans“. „Künstliche Nervenzellen werden den echten immer ähnlicher“. „Sprachzentrum gefunden“, „Wo sich die Gefühle abspielen“ und Anfang der Woche, für Spezialisten: „Forscher lokalisieren Physik-Zentrum des Gehirns“. Kaum eine Woche vergeht, in der die Wissenschaft nicht mit neuen Erkenntnissen über das menschliche Denkorgan aufwartet.
Seit die USA die 1990er Jahre zum „Jahrzehnt der Hirnforschung“ erklärten, fließen in diesen Bereich Forschungsmillionen. Man erhofft sich bessere Therapien, Anwendungen in der Robotik und nicht zuletzt ein höheres Verständnis des komplexesten Organs und damit des Selbst. Doch wie viel verraten uns die Forschungsergebnisse tatsächlich? Geben sie echte Aufschlüsse darüber, wie das Gehirn arbeitet? Erklären sie, wie wir denken, warum wir träumen, milde oder aggressiv reagieren oder begeistert sind? Sagen sie uns, warum Musik die Emotionen sehr stark berühren kann, wie Orientierungsvermögen zustande kommt oder ob wir wirklich mit zunehmendem Alter weise werden? Nur zum Teil. Viele Puzzlesteine im Gesamtbild fehlen. Wie weit ist also die Hirnforschung?
Jede Antwort wirft Fragen auf #
„1990 waren wir wirklich sehr enthusiastisch. Die Neurowissenschaften hatten sich formiert und es gab Fachtagungen mit bis zu 30.000 Teilenehmern. Wir waren ein wenig der Auffassung, dass wir einen großen Teil unserer Fragen in zehn Jahren abarbeiten können“, sagt Peter Jonas, Hirnforscher am Institute of Science and Technology Austria in Klosterneuburg. Heute, mehr als 20 Jahre danach, nimmt der Wittgenstein- Preisträger die Erwartungen zurück. „Viele Fragen auf unserer alten To-do-Liste sind noch nicht beantwortet“, räumt Jonas ein: „Realistisch gesehen werden uns die Verbindungen zwischen den Synapsen des Gehirns noch viele Jahre beschäftigen. Und es ist kein Endpunkt dieser Arbeiten in Sicht: Wenn man eine Frage beantwortet, entstehen aus der Antwort drei neue Fragen.“
Das Gehirn enthält, je nach Zählmethodik, 86 bis 100 Milliarden Nervenzellen. Jede Zelle bekommt unzählige Impulse von ihren Nachbarn und die Möglichkeiten sich zu verschalten gehen ins Unendliche. „Noch vor 30 Jahren nahm man an, dass sich ein ausdifferenziertes, erwachsenes Gehirn ab dem Alter von 20 bis 22 Jahren nicht mehr weiterentwickelt Danach könnten Neuronen nur noch absterben, dachte man. Inzwischen hat sich gezeigt, dass das Gehirn selbst nach Schlaganfällen oder Schädel-Hirn-Traumen Motorik und Sprache regenerieren kann, es hat eine enorme Plastizität“, erklärt Ewald Moser, Medizinphysiker an der Medizinischen Universität Wien.
Obwohl alle Gehirne aus den gleichen Bausteinen bestehen und sich ähnlich vernetzen können, gibt es so viele Variabilitäten, dass keine zwei Menschen gleich sind. Nicht einmal eineiige Zwillinge haben die gleichen Hirn-Verschaltungen. Anders als noch vor 30 Jahren angenommen, ist kein Denkorgan wie das andere. Allgemeine Regeln abzuleiten ist enorm schwierig.
Ähnlich wie die Weltumsegler Landkarten zeichneten, um die Erde zu erfassen, konstruieren Neurowissenschafter heute Atlanten des Gehirns. Sie registrieren Aktivitäten, messen Verbindungen und leiten ab, welcher Bereich wie funktioniert. „Das ist allerdings leichter gesagt als getan“, heben die Autoren eines Fachvideos im Wissenschaftsmagazin „Nature“ hervor. Jede Darstellung beruhe nämlich auf jenen Bereichen des Denkorgans, die untersucht würden. Ähnlich wie geologische oder politische Karten in Schulatlanten, sehen Grafiken von Gehirn-Strukturen, Synapsen-Verbindungen oder neuronalen Zelltypen unterschiedlich aus. „Unter Wissenschaftern herrscht keine Einigkeit darüber, wie viele Gehirnregionen es gibt, und schon gar keine über die Zuständigkeitsbereiche“, ist in dem Fachvideo zu erfahren.
Matthew Glasser, David Van Essen und ihre Kollegen der Washington University Medical School haben nun eine Gehirnkarte erstellt, die, wie sie sagen „die bisher genaueste sein könnte“. 210 junge Erwachsene dienten als Probanden für die Arbeit, die aus farbenprächtigen Darstellungen von Hirnregionen besteht. Die Grafiken stellen Daten dar, die mit verschiedenen Arten von Kernspin-Tomographen aufgenommen wurden.
Gemessen wurden Verknüpfungen, Architektur, Schichtdicke und Muster bei Ruhe und beim Lösen von Aufgaben. Dabei haben die Forscher zusätzliche 100 Gehirnregionen entdeckt und kennen somit deren 180. Region 55b etwa soll eine Rolle in der Sprachfähigkeit spielen, da sie bei sprachlichen Tätigkeiten messbar ist und bei anderen nicht. Die Gehirnlandkarte entstand im Rahmen des von der US-Regierung mit 40 Millionen Dollar geförderten Human Connectome Project zur Erforschung der Nervenverbindungen im gesunden menschlichen Gehirn.
„Es ist eine schöne Arbeit“, sagt Peter Jonas. „Aber die Messungen sind nur indirekt. Wir haben eine indirekte Lesung von Aktivitäten, keine Eins-zu-eins- Zusammenhänge zwischen dem gemessenen Signal und der neuronalen Aktivität. Natürlich hätten wir am liebsten die elektrischen Signale an einer Nervenzelle, in Echtzeit, an allen Stellen des Neurons, zeitlich in Mikrosekunden- und geografisch in Nanometer- Auflösung. Aber wenn man sich mit dem Gesamtgehirn beschäftigt, geht das nicht, schon gar nicht am Menschen.“
„Großprojekte sind oft Prestigeprojekte. Sehr gute Leute machen mit, aber es wäre eine Illusion, zu glauben, dass die Datenqualität viel besser ist“, betont Moser. „Gleichzeitig herrscht ein höherer Druck, wenn hohe Fördersummen im Spiel sind. Somit ist eine gewisse Eigendynamik nicht zu verhindern, aus den Daten das herauszulesen, was man erwartet.“ Der Neurowissenschafter Eric Kandel, der 1939 in die Vereinigten Staaten emigrieren musste, da der Antisemitismus in Österreich lebensbedrohlich geworden war, wollte herausfinden, wie innerhalb von kurzer Zeit die Stimmung so stark kippen konnte. Im Studium der Psychoanalyse fand er keine Antworten. Er beschloss daher, die biologischen Vorgänge im Gehirn zu untersuchen. Kandel begann mit einer Meeresschnecke, die nur wenige, besonders große Nervenzellen hat. Mit Glaselektroden erforschte er, wie sie Synapsen bildet.
Heute werden Gehirnfunktionen unter anderem mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) gemessen. Obwohl sie hochkomplex ist, stand sie jüngst im Kreuzfeuer der Kritik. FMRI könne die Bandbreite der Hirnaktivitäten nicht erfassen, warnten schwedische und britische Medizininformatiker (die „Wiener Zeitung“ berichtete).
Frage der Interpretation #
Dennoch ermöglicht sie es, ganze Netzwerke von Neuronen, also zig Millionen Nervenzellen, nicht-invasiv zu betrachten. Über das Vorhandensein von Sauerstoff in Blutkapillaren können die Forscher Schlüsse ziehen, was im Gehirn passiert: Wo viele Neuronen aktiv sind, wird dem Blut Sauerstoff entzogen und der helle Lebenssaft verfärbt sich dunkelrot bis blau. „Die Sauerstoffveränderung zeigt, welche Bereiche tätig sind – aber nicht, woran sie arbeiten“, fasst Moser zusammen.
Messungen zur Hirnaktivität könnten laut dem Medizinphysiker so ablaufen: Ein Psychologe oder Neurologe kauft sich Messzeit auf einem fMRI-Scanner der Radiologie. Er kommt mit seinen Probanden, die Messung macht jedoch ein Techniker, der das Experiment nicht kennt. Der Psychologe bekommt einen Datenträger mit Zahlen, die er mit einer eigenen Software in Bilder verwandelt. Heraus kommt eine hochaufgelöste anatomische Darstellung des Hirns mit bunten Flecken. „Was genau das heißt, ist Interpretationssache, und ob man dabei richtig liegt, Erfahrungssache“, sagt Moser.
Auch beim Human Brain Project könnte es so ablaufen. Es ist noch höher dotiert als die Landkarte der Gehirnregionen. Europäische Wissenschafter wollen das menschliche Gehirn simulieren. Es handelt sich um ein EUFlaggschiff- Projekt, das mit einer Milliarde Euro dotiert ist. Ziel ist, das gesamte bestehende Wissen über das menschliche Gehirn zusammenzuführen und das Denkorgan Stück für Stück auf Supercomputern in Modellen und Simulationen nachzubilden. Ob dies in den vorgesehenen zehn Jahren gelingt, muss sich weisen. „Einiges an dem Zeitplan ist nicht realistisch“, sagt Peter Jonas, der am Human Brain Project beteiligt ist. Er betont: „Die Hirnforschung ist eine der ganz großen Herausforderungen der Life Sciences.“