Die Gehirnforschung hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht, die unser Verständnis des komplexesten Organs des menschlichen Körpers erweitern. Ein wichtiger Akteur in diesem Feld ist Bernhard Becker, dessen Arbeit dazu beiträgt, die Geheimnisse des Gehirns zu entschlüsseln und innovative Technologien für die Behandlung neurologischer Erkrankungen zu entwickeln. Dieser Artikel beleuchtet Beckers Forschungsschwerpunkte und deren Bedeutung für die Zukunft der Medizin und Technologie.
Exzellenzcluster für intelligente Neurotechnologien
Ein bedeutender Forschungsbereich, an dem Becker beteiligt ist, ist das Exzellenzcluster, das sich der Entwicklung flexibler, stabiler und intuitiv anpassungsfähiger Schnittstellen zwischen dem Gehirn und technischen Systemen widmet. Das Ziel ist es, technische Elemente mit dem komplexen Nervensystem zu verbinden, um einen bidirektionalen Signalaustausch zu ermöglichen. Wissenschaftler aus den Bereichen Biologie, Mikrosystemtechnik, Informatik und Medizin arbeiten zusammen, um diese Herausforderung zu meistern.
Anwendungsbereiche der Forschung
Die Initiative konzentriert sich auf zwei Hauptanwendungsbereiche:
- LiNC (prothetische Gliedmaßen mit neuronaler Kontrolle): Diese Technologie ermöglicht die Steuerung externer Geräte, wie Prothesen für Gelähmte oder Kommunikationshilfen für Schlaganfallpatienten, und erleichtert so die Rehabilitation.
- SEAM (intelligente, energieautonome Mikroknoten): Diese selbstständig agierenden Implantate werden bei bestimmten Krankheitsbildern ins Gehirn eingepflanzt. Sie erkennen und behandeln Störungen, die bei Parkinson, Epilepsie und anderen neurologischen Erkrankungen auftreten.
Funktionsweise der Mikroknoten
Die Mikroknoten erkennen fehlerhafte Signale im Gehirn und verhindern diese, wodurch ein geschlossener Wirkungskreis entsteht. Das Implantat soll idealerweise nur durch seine therapeutische Wirkung bemerkbar sein. Diese interdisziplinäre Zusammenarbeit verbindet Biologie, Mikrosystemtechnik, Informatik und Medizin in einer bisher einzigartigen Form.
Das altruistische Hirn
Ein weiterer interessanter Aspekt der Gehirnforschung ist die Frage, ob Menschen von Natur aus gut sind. Neurowissenschaftliche Erkenntnisse zur Empathie und Wohlwollen werden untersucht, um ihren Einfluss auf altruistisches Verhalten zu analysieren. Diese Forschung zielt darauf ab, die neuronalen Grundlagen für prosoziales Verhalten zu verstehen.
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Die Rolle der Pilzkörper im Insektengehirn
Bienen besitzen im Gehirn besonders auffällige Strukturen, die sogenannten Pilzkörper. Diese bestehen aus etwa 170.000 dicht gepackten Nervenzellen und liegen symmetrisch links und rechts im Hirn. Hier kommen Informationen über Bilder, Düfte und mechanische Reize an, werden verarbeitet und gespeichert. Pilzkörper werden deshalb auch als Sitz der Insektenintelligenz bezeichnet.
Integrative Lernzentren
Bernhard Komischke konnte im Rahmen seiner Dissertation nachweisen, dass die beiden Pilzkörper miteinander verschaltet sind und somit ein integratives Lernzentrum bilden, das den beiden Hirnseiten übergeordnet ist. Diese Funktion ähnelt den seitenübergreifenden Strukturen der Wirbeltierhirne.
Duftverarbeitung bei Honigbienen
Die Orientierung anhand von Düften ist für Honigbienen ebenso wichtig wie die optische Orientierung. Bienen registrieren jede einzelne Komponente des Blütenduftes sowie die für jede Blume spezielle Mixtur und deren Wert für die Nektarsuche. Da das Nektarangebot der aufgesuchten Pflanzen schwankt, müssen Bienen ihre Sammelroute ständig aktualisieren.
Experimentelle Ergebnisse
Komischke bot den Bienen zwei verschiedene Düfte an, mal einzeln oder als Gemisch, mal nur mit der linken oder mit der rechten Antenne wahrnehmbar. Wenn sie sich einen Duft oder das Gemisch aus beiden merkten, wurden die Tiere mit Zuckerwasser belohnt. Die Bienen lernten, dass die Einzeldüfte nicht belohnt werden, dafür aber das Gemisch. Zur Lösung dieser Lernaufgaben mussten die Bienen die Informationen, die in dem linken und dem rechten Pilzkörper ankamen, miteinander vergleichen und bewerten können. Das Duftgedächtnis der Honigbiene wird also seitenübergreifend gebildet.
Beteiligung der Pilzkörper an einfachen Lernvorgängen
Bisher ging man davon aus, dass das einfache Duftgedächtnis, wenn nur ein Duft gespeichert werden soll, schon im Antennenlobus abgelegt werden kann. Komischkes Arbeit zeigt jedoch, dass selbst bei einfachen Lernvorgängen die Pilzkörper beteiligt sind, und zwar beide Pilzkörper seitenübergreifend.
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Störung der Lernvorgänge
Ein weiteres Experiment zeigte, dass sich die beiden Hirnhälften in ihren Lernvorgängen stören, wenn auf den einzelnen Antennen gleichzeitig unterschiedliche Lernaufgaben zu bewältigen waren.
Beschleunigung der Lerngeschwindigkeit
Komischke konnte außerdem beobachten, dass Bienen lernen können, schneller zu lernen. Mit steigender Zahl gleicher Problemstellungen lösen sie die Aufgabe schneller. Dabei lernt die Biene keine abstrakten Regeln, vielmehr ändert sich etwas am Gesamtzustand der Biene, genauer gesagt, am Zustand ihres Nervensystems, was sich allgemein mit dem Begriff „Aufmerksamkeit“ beschreiben lässt.
Dreidimensionales Riechen
Komischke geht davon aus, dass Bienen dreidimensional riechen können und sich entsprechend im „Duftraum“ orientieren - die Möglichkeiten dazu wären durch die seitenübergreifende Duftverarbeitung gegeben.
Klinische Studien und Behandlungsmöglichkeiten
Neben der Grundlagenforschung gibt es auch klinische Studien, die darauf abzielen, Behandlungsmöglichkeiten für psychische Erkrankungen zu erweitern und langfristig zu verbessern.
E.D.E.N.-Studie in Ulm
Die E.D.E.N.-Studie wird in Ulm von der Hochschulambulanz der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie III des Universitätsklinikums Ulm durchgeführt. Die Studienverantwortliche ist Frau Dr. med. Visal Tumani. Das Ziel der Studie ist die Behandlungsmöglichkeiten der chronisch rezidivierenden Depression zu erweitern und langfristig zu verbessern. Neben der etablierten medikamentösen Behandlung bzw. der Verhaltenstherapie soll zusätzlich die Wirksamkeit einer weiteren, schon lange bekannten, Psychotherapiemethode untersucht werden. Diese Methode ist die EMDR (Eye Movement Desensitization and Reprocessing)-Therapie, die bisher nur zur Behandlung von Traumatisierungen eingesetzt wurde.
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TMS-Studie bei Depressionen
Eine weitere Studie untersucht die Wirksamkeit der Transkraniellen Magnetstimulation (TMS) als frühe Behandlungsmaßnahme bei Depressionen im Vergleich zur standardmäßigen Behandlung mit einem antidepressiven Medikament. Ziel ist es, die Behandlungsmöglichkeiten von depressiven Patienten zu erweitern, die Lebensqualität Betroffener zu steigern und eine Chronifizierung der Erkrankung verhindern.
Forschungsschwerpunkte in der Psychiatrie
Die Arbeiten im Bereich der Psychiatrie haben in der Regel experimentellen Charakter und beziehen sich auf die Untersuchung von gesunden Probanden oder speziellen Patientengruppen. Es werden unterschiedliche Methoden eingesetzt, wie Fragebögen, Verhaltensexperimente am Computer, Elektroenzephalographie (EEG), Magnetresonanztomographie (fMRT) und Hirnstimulationsverfahren wie transkranielle Magnetstimulation (TMS) oder Gleichstromstimulation (tDCS).
KI in der Gehirnforschung und darüber hinaus
Bernhard Becker hat sich auch mit den Auswirkungen künstlicher Intelligenz (KI) auseinandergesetzt. In seinem Buch „KI über KI“ befragte er die Sprach-Software ChatGPT nach Risiken durch die KI für den Menschen. Das Buch soll über den Umgang mit künstlicher Intelligenz informieren und wirft wichtige Fragen auf, insbesondere im Hinblick auf ethische Aspekte und potenzielle Gefahren.
Themen des Buches
Inhaltlich geht es um Fragen wie KI im militärischen Bereich und Waffensysteme, KI im Bildungswesen, KI in der Rechtsanwendung, Jobverluste, Gesundheitswesen und Medizin und der Eigenschutz vor ungewolltem KI-Einfluss. Becker betont, dass man lernen müsse, mit KI umzugehen und dass das Hauptthema des Buches sei: „Denke noch selbst“.
Lokale Kontrolle von Immunantworten im Gehirn
Die lokale Kontrolle von Immunantworten ist notwendig, um spezialisierte Pathogene abzuwehren und Organfunktionen in der Homöostase aufrechtzuerhalten. Im Gehirn muss die Immunantwort besonders präzise sein, um lokale Schädigungen zu vermeiden. Der SFB 704 hatte sich zum Ziel gesetzt, Zelltypen und ihre Interaktionsmodi zu analysieren und zu klassifizieren, die zur lokalen Kontrolle von Immunantworten, bei der Toleranzinduktion und während der Homöostase notwendig sind.
Gießener Abendgespräche Kognition und Gehirn
Seit 2008 finden die "Gießener Abendgespräche Kognition und Gehirn" statt. In der Vortragsreihe berichten namhafte nationale und internationale WissenschaftlerInnen aus ihren aktuellen Forschungsergebnissen rund um das Thema „Kognition“ und angrenzende Themen.