Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, dessen Funktionsweise und Leistungsfähigkeit seit jeher Gegenstand intensiver Forschung ist. Ziel ist es, ein tieferes Verständnis des Gehirns zu erlangen, seine Potenziale zu nutzen und innovative Methoden zur Förderung seiner Leistungsfähigkeit zu entwickeln. Dieser Artikel beleuchtet verschiedene Aspekte, von der Grundlagenforschung über innovative Tests bis hin zu Ansätzen zur Förderung der Gehirnleistung.
Das Human Brain Project: Eine Milliarde Euro für die Erforschung des Gehirns
Die Technische Universität München (TUM) ist an einem der ersten beiden europäischen Großforschungsprojekte beteiligt, die unter dem neuen Format „European Future and Emerging Technologies (FET) Flagship“ erfolgreich waren. Unter der Führung der Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) war das „Human Brain Project“ (HBP) in einem harten Wettbewerb erfolgreich. Die Gesamtkosten für dieses auf 10 Jahre angelegte europäische Forschungsprojekt belaufen sich auf rund einer Milliarde Euro.
Ziel des Human Brain Project ist es, das bereits vorhandene umfangreiche Wissen über das menschliche Gehirn und seine Arbeitsweise zusammenzuführen. Stück für Stück soll das Gehirn und seine Arbeitsweise in Supercomputer-basierten Modellen und Simulationen rekonstruiert werden. Die entstehenden Modelle könnten nicht nur ein neues Verständnis des menschlichen Gehirns und seiner Krankheiten ermöglichen, sondern auch völlig neue Rechen- und Robotertechniken.
Wissenschaftler der TU München koordinieren den Teilbereich Neurorobotik. Hier werden die Modellvorstellungen an simulierten und realen Systemen erstmals auf ihre Umsetzbarkeit getestet. Die Systeme bestehen aus Sensoren zur Datenaufnahme, Elementen zur Verarbeitung der Daten und Aktoren zur Ausführung von Handlungen. „Unsere Tests werden zeigen, ob die den Modellen zugrundeliegenden Annahmen funktionieren“, sagt Professor Alois Knoll, Inhaber des Lehrstuhls für Echtzeitsysteme und Robotik der TUM. Der Teilbereich Neurorobotik baut auf die international anerkannte Expertise der Robotikforschung an der TU München auf. Auch im Bereich Neurowissenschaften hat die TUM mit ihrer erfolgreichen Beteiligung am Exzellenzcluster Systems Neurology (SyNergy) ihre Forschungsstärke bereits unter Beweis gestellt. Angesiedelt wird die neue Forschungsgruppe im An-Institut fortiss der TUM.
Insgesamt verknüpft das Human Brain Project mehr als 80 europäische Forschungseinrichtungen sowie einige wichtige Partner in Nordamerika und Japan. Es hat einen strengen wissenschaftlichen Auswahlprozess durchlaufen und eine Laufzeit von zehn Jahren (2013 bis 2023). Die Kosten des Projekts werden auf 1,19 Milliarden Euro geschätzt. Seine Koordination übernimmt Professor Henry Markram, Neurowissenschaftler an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).
Lesen Sie auch: Menschliches Gehirn: Eine Übersicht
Brain Excellence Award: Auszeichnung für die Förderung des Gehirns
Im Jahr 2022 wurde der Brain Excellence Award von Kirsten Wunderle ins Leben gerufen. Er wird von nun an jährlich an bis zu 10 Personen oder Organisationen verliehen, die sich mit der Förderung des Gehirns beschäftigen, z. B. durch innovative Lernmethoden, Gedächtnistechniken, aber auch spezielle Trainings, therapeutische Ansätze oder positive Einflüsse über die Ernährung. Häufig erhalten gerade diese Menschen nicht die Aufmerksamkeit und Wertschätzung, die sie verdient haben. Das soll durch den Brain Excellence Award geändert werden.
Für die Verleihung gelten folgende Voraussetzungen:
- Der/die Empfänger/in ist gewillt, durch seine/ihre Ideen einen positiven Beitrag zur Förderung des Gehirns zu leisten.
- Der/die Empfänger/in leistet durch sein Handeln einen echten Mehrwert für die Gesellschaft.
Preisträger des Brain Excellence Award
Eine Vielzahl von Personen und Organisationen haben sich durch ihren Einsatz für die Förderung des Gehirns hervorgetan. Einige Beispiele sind:
- Jens Voigt: Der „Mindmap-Papst“ beobachtet seit vielen Jahren, dass Kinder scheinbar die Fähigkeit, gehirn-gerecht zu lernen, mit dem Schuleintritt ver-lernen. Als Lehrer aus Leidenschaft entwickelte er die Gedächtnistechnik ALMUT, veränderte Mindmapping und entwickelte das Lern- und Studiersystem NAS. Zudem kreierte er über 20 Lernspiele.
- Doreen Schaefer: Sie arbeitet als Familien- und Reflexintegrationstherapeutin und ist spezialisiert auf „Out of the Box“-Kinder. Ihre Methode kombiniert Wissen und Erfahrung aus verschiedenen Bereichen wie visuelles Training, Entwicklungspsychologie, Verhaltensforschung, ADHS-Testungen, Neurofeedback, Reflextherapie und mehr.
- Alexander Lemb: Er erschuf 2019 das neuartige und polysportive Konzept TaffeTiger®, das durch Themen wie Koordination, Gehirntraining, Lernstrategie, Fitness, Selbstverteidigung, Reflexintegration und Wertevermittlung Kindern wieder zeigen möchte, wie viel Spaß Bewegung macht und wie wichtig ein positives Miteinander ist.
- Julia Hofmann: Sie gründete 2019 die Phönix Akademie in Regensburg, eine Privatschule, die SchülerInnen eine zweite Chance auf ihren Schulabschluss bietet. Sie integriert feste Lernzeiten in die Stundenpläne, in denen Schulstoff gemeinsam nach den neuesten Erkenntnissen der Gehirnforschung gefestigt wird.
- Alexander Hartmann: Er lernte 2008 die Kraft des Unterbewusstseins und der Hypnose kennen und ist mittlerweile Experte für den Erfolgsfaktor Unterbewusstsein. Er entwickelte verschiedene Ausbildungen und hat in den letzten zehn Jahren bereits über 7.000 NLP- und Hypnose-Coaches sowie Hypnosetherapeut*innen ausgebildet.
- Astrid Leitl: Die geprüfte Berufspädagogin gründete 2010 ihr Unternehmen BizTrain4U, um Auszubildende bestmöglich auszubilden. Mit ihrem Team unterstützt sie ausbildendes Personal in den Unternehmen und vermittelt Spezialwissen an die Auszubildenden.
- Caroline von St. Ange: Sie rief den Instagram-Account learnlearning.withcaroline ins Leben, auf dem sie Tipps und Tricks rund ums Lernen, Mindset und Schule gibt. Sie setzt sich für mehr Chancengleichheit im Bildungssystem ein und ist der Meinung, dass Lernen ein Fest sein darf und soll.
- Manuela Schneider: Sie begleitet seit 19 Jahren in ihrer Praxis für Lern-, Schul- und Lebensherausforderungen Kinder, Jugendliche und deren Eltern. Sie versteht sich dabei als Supporterin, die nicht nur lerntherapeutisch arbeitet, sondern als HypnoKids-Spezialistin auch alle verhinderten Mindsets und Verhaltensweisen betrachtet.
- Sandy Mohns: Sie arbeitet als Lerncoach, Lesetrainerin und Schulmediatorin und möchte Kinder begeistern, stärken und in die Lage versetzen, gerne zu lesen, zu lernen und voranzukommen.
- Roger Urs Bottlang: Er hat eine große Liebe: die Hanfpflanze. Bereits seit 1997 begleitet ihn Hanf, das er als „komplettes Geschenk der Natur“ bezeichnet. Er gründete sein Unternehmen Harmonius, mit dem er nun verschiedene Hanfprodukte entwickelt und über seinen Shop vertreibt.
- Jaclyn Schnau: Sie weiß: die ersten 1000 Tage können die Essensgewohnheiten eines Kindes massiv beeinflussen. Daraufhin gründete sie 2017 ihr Unternehmen Pumpkin Organics und kombinierte so ihre Leidenschaft für die gesunde Ernährung, die Natur, die Nachhaltigkeit und die Familie.
- Horst Lutz: Er ist Diplomsportlehrer und Gründer von Life Kinetik®, der weltweit führenden Trainingsmethode, die Denken, Bewegung, Wahrnehmung und Wissen verbessert und das Gehirn zur maximalen Leistung pusht.
Neurowissenschaftliche Erkenntnisse und ihre Bedeutung für die Informationsverarbeitung
Forschende der Universität Bremen haben gezeigt, dass der exakte Zeitpunkt, zu dem ein Signal auf aufnahmebereite Nervenzellen trifft, über seine Verarbeitung entscheidet - und dass Aufmerksamkeit diese Taktung gezielt für die Verarbeitung relevanter Informationen nutzt.
Das Gehirn richtet seine Verarbeitung auf die gerade relevanten Informationen aus. Unklar war bislang, wie dieser überlebenswichtige Mechanismus der Auswahl relevanter Informationen gesteuert wird. Das Team um Neurowissenschaftler Andreas Kreiter und Eric Drebitz hat nun erstmals kausal nachgewiesen, wie das Gehirn relevante Informationen weiterleitet und verarbeitet: „Ob ein Signal im Gehirn weiterverarbeitet wird, hängt entscheidend davon ab, ob es im richtigen Moment - in einer kurzen Phase erhöhter Empfänglichkeit der Nervenzellen - eintrifft“, erläutert der Neurowissenschaftler Drebitz. Diese zeitliche Abstimmung sei der grundlegende Mechanismus der Informationsverarbeitung. Die Aufmerksamkeit nutze diesen Mechanismus gezielt, indem sie die Taktung der Nervenzellen so ausrichte, dass relevante Signale genau in diesem Zeitfenster ankämen, während andere außen vor blieben.
Lesen Sie auch: Gehirnaufbau: Was wir von Pinky und Brain lernen können
Die Ergebnisse bieten eine Grundlage für präzisere Modelle des Gehirns und sind nicht nur für die Grundlagenforschung von Bedeutung, sondern auch für die Medizin, „da Krankheiten wie zum Beispiel Alzheimer oder ADHS mit Problemen bei der selektiven Verarbeitung und Speicherung von relevanten Informationen einhergehen. Und für neue Technologien wie Brain-Computer-Interfaces, die direkt mit dem Gehirn kommunizieren.“ Auch die Entwicklung Künstlicher Intelligenz (KI) könne von diesen Prinzipien profitieren, da sie als Vorlage für besonders flexible und effiziente Verarbeitung dienen könne.
Innovative Tests zur Diagnose von Hirnerkrankungen
Bluttest zur Früherkennung von Hirntumoren
Hirntumoren sind seit Jahren bekanntermaßen schwer zu diagnostizieren. Ein Forscherteam hat einen einfachen Bluttest entwickelt, der dazu beitragen könnte, Patienten selbst mit den tödlichsten Formen von Hirntumor viel schneller zu diagnostizieren und ihnen möglicherweise invasive und risikoreiche chirurgische Biopsien zu ersparen. Experten sagten, die kostengünstige Flüssigbiopsie könne auch zu einer früheren Diagnose führen, was wiederum die Behandlung beschleunigen und möglicherweise die Überlebensraten erhöhen würde.
Forscher am Brain Tumor Research Centre of Excellence fanden heraus, dass der Test eine Reihe von Hirntumoren genau diagnostizieren konnte, darunter Glioblastom (GBM), Astrozytome und Oligodendrogliome. Der TriNetra-Glio-Bluttest funktioniert durch die Isolierung von Gliazellen, die sich aus dem Tumor gelöst haben und im Blut zirkulieren.
Bluttest zur Diagnose von Parkinson
Bisher beruht die Diagnose der Parkinsonkrankheit vor allem auf den typischen Bewegungsstörungen. Die Krankheit beginnt aber bis zu zwanzig Jahre bevor sie durch diese Symptome auffällig wird. Es gibt bisher weder Blutparameter, noch bildgebende Untersuchungen für eine gesicherte Diagnose, geschweige denn zur Früherkennung.
Dem Team um Kluge und der Biochemikerin Professorin Friederike Zunke gelang ein Durchbruch: „Wir haben einen biochemischen blutbasierten Test für die Diagnose der Parkinsonkrankheit entwickelt. Mit Hilfe unseres Verfahrens konnten die getesteten 30 Parkinsonpatienten von den 50 Kontrollpersonen mit einer sehr hohen Sensitivität unterschieden werden.“
Lesen Sie auch: Eine detaillierte Analyse der Hirnfäule
Die neue Methode beruht auf drei Schritten: Zunächst werden in der Blutprobe Vesikel von Nervenzellen isoliert. In diesen isolierten Nervenzell-Vesikeln wurde dann gezielt nach dem Protein gesucht, das die Erkrankung verursacht. Es handelt sich dabei um eine veränderte Form von α-Synuclein. Diese krankmachende Form des α-Synucleins kann durch Struktur-spezifische Antikörper nachgewiesen werden.
Deutsche Neurowissenschaften-Olympiade: Nachwuchsförderung im Bereich der Neurowissenschaften
Die „Deutsche Neurowissenschaften-Olympiade“ ist ein Nachwuchswettbewerb, dessen Finale am 13. Mai 2017 an der Universität Heidelberg ausgerichtet wurde. Der Gewinner wird Deutschland im „International Brain Bee“ in den USA vertreten. Organisiert wird die nationale Olympiade von Studierenden, Doktoranden und Lehrenden der Ruperto Carola.
Der „Brain Bee“ wurde vor 19 Jahren in den USA ins Leben gerufen und richtet sich an naturwissenschaftlich interessierte Schülerinnen und Schüler. An den jährlich rund 150 Wettbewerben in mehr als 30 Ländern haben bisher über 60.000 Jugendliche teilgenommen.
Der Wettbewerb, der auf Englisch durchgeführt wird, gliedert sich in fünf Abschnitte. Zunächst muss jeder Teilnehmer einen kurzen schriftlichen Test absolvieren. Anschließend folgen ein neuroanatomischer Praxisteil, bei dem Gehirnmodelle und echtes Gewebe verwendet werden, sowie eine erste Runde von Fragen der Jury. Nach einer sogenannten Patientendiagnose mit Videos und Anamnesen treten die zehn besten Schüler in einer letzten Fragerunde gegeneinander an. Dabei geht es unter anderem um Intelligenz, Emotionen, Gedächtnis, Sinneswahrnehmungen, Alzheimer- und Parkinson-Erkrankungen sowie Suchtforschung.
BrainAGE: Vorhersage des individuellen Gehirnalters
Die Forschungsgruppe "Structural Brain Mapping" am Universitätsklinikum Jena entwickelt und wendet Methoden an, um die Hirnstruktur in MRT-Bildern zu analysieren. Dazu werden in MRT-Bildern Bereiche grauer und weißer Substanz segmentiert, um deren lokale Verteilung zu analysieren.
Die Forscher haben eine Methode entwickelt, die diese altersbedingten Veränderungen im gesamten Gehirn mittels eines Machine Learning-Algorithmus lernt. Dazu wird das Alterungsmuster in einer großen Stichprobe trainiert und kann dann für ein neues MRT-Bild zur individuellen Vorhersage des sog. Hirnalters verwendet werden. Das geschätzte Hirnalter wird dann mit dem chronologischen Alter verglichen und die Differenz (BrainAGE) gibt Auskunft, ob z.B. ein beschleunigter Alterungsprozess vorliegt.
Neurobiologische Erkenntnisse zur Hochbegabung
Die Forschungen zum Enrichment befassen sich überwiegend mit der Ausgestaltung und Wirkung von Zusatzangeboten zum Unterricht der Regelschule, die entweder im schulischen Zusammenhang oder ergänzend zur Schule angeboten werden. Zielgruppe sind hochbegabte Kinder und Jugendliche. Dabei geht es um die Entwicklung der Leistungsfähigkeit und um die Motivation, die aus Lernen in homogenen Gruppen entsteht. Zum Teil geht es aber auch um die kompensatorische Wirkung, die Enrichment gegenüber den Folgen von Passungsproblemen und Unterforderung von sogenannten Underachievern haben kann.
Chemische Verhältnisse an den Synapsen
Bei Hochbegabten ist der Hippocampus „günstiger“ eingestellt (gemeint: NMDA-Rezeptoren in der postsynaptischen Membran). Auf Synapsenebene heißt das, dass die Rezeptionsmöglichkeit für elektrische Signale aufgrund bestimmter chemischer Verhältnisse länger offen bleibt. Auf der Verhaltensebene bedeutet das eine höhere Wachheit (Sensitivierung und raschere Hemmung/Habituierung). Diese chemischen Verhältnisse sind angelegt.
Entwicklung des Gehirns
Ein weiterer Unterschied betrifft die Entwicklung des Gehirns. Die Grafik zeigt, wie die Kognition ausgedrückt im IQ mit Veränderungen im linken und mittleren präfrontalen Kortex verbunden ist. Diese Veränderungen sind deutlich verzögert bei der Gruppe mit höchstem IQ. Je dramatischer die Entwicklungsverzögerung und je später der Scheitelpunkt der Verdickung sind, desto höher ist der IQ. Die verzögerte Kortexreduktion bei intelligenteren Kindern gibt dem Gehirn mehr Gelegenheit, Schaltungen für ein hoch entwickeltes Denken auszubilden. Die spätere rasche Reduktion der Hirnrinde könnte auf den Abbau nicht benutzter neuronaler Verbindungen zurückzuführen sein.
Kognitive Verfrühung
John Geake stützt sich zur Erklärung auf eine Untersuchung von O’Boyle and Benbow, in der angenommen wird, dass die verfrühte kognitive Entwicklung mit der vorgeburtlichen Einwirkung von Testosteron zusammenhänge. Diese Exposition beeinflusst die Wirkung der Chromosome (epigenetisch).
Stärkere Nutzung beider Hemisphären
Lee et al. verglichen neuronale Aktivierungen nach IQ-Items/hohem g-Anspruch mit Aktivierungen nach IQ-Items/niedrigem g-Anspruch. Bei hohem g-Anspruch verstärkten sich bei den hochbegabten Kindern die bilateralen Aktivierungen des präfrontalen Cortex.
Herausragende Merkmale kognitiver Kontrolle
Geake stellt eine höhere kognitive Kontrolle bei Hochbegabten fest. Kognitive Kontrolle meint interaktive Aspekte des Arbeitsgedächtnisses, darunter die Bereitschaft zur Kategorisierung, längere Wachheit, Auswertung und Anpassung. Zhang Li spricht in einer chinesischen Studie den Hochbegabten eine herausragende Fähigkeit zu, durch Analogie, Transfer, Assoziation und Phantasie zu lernen.
Deduktives Verstehen
Geake kommentiert diese Beobachtung so: Sie könnten den Umfang ihrer Wissensaufnahme nicht bewältigen, wenn nicht begleitend eine Bewegung hin zur Konzeptualisierung (with big-picture perspectives) stattfände. Dieses Kategorisieren (cognitive mapping) wird durch eine vergleichsweise höhere Kapazität des Arbeitsgedächtnisses unterstützt.
Neuroimplantate: Schnittstelle zwischen Technik und Gehirn
Die zuverlässige Wechselwirkung von technischen Systemen mit Nerven und dem Gehirn ist das Ziel von Neuroimplanten. Elektroden müssen zuverlässig und langzeitstabil bioelektrische Signale aufnehmen und elektrisch stimulieren, ohne Gewebe und Implantat zu beschädigen oder zu zerstören. Forscher*innen des BrainLinks-BrainTools Centers of Excellence an der Universität Freiburg haben in ihrem Tutorial erstmals umfassend Prüfverfahren zusammengestellt, die den weltweiten Stand der Technik beschreiben.
tags: #brain #excellence #gehirn #test