Der geheime Takt des Gehirns: Forschungsergebnisse und neue Perspektiven

Die faszinierende Welt des Gehirns birgt noch immer viele ungelöste Rätsel. Die aktuelle Forschung dringt immer tiefer in die komplexen Mechanismen ein, die unsere Gedanken, Emotionen und Handlungen steuern. Von Quanteneffekten bis hin zu sozialen Interaktionen - die Neurowissenschaften eröffnen ständig neue Perspektiven auf das menschliche Gehirn.

Multitasking: Ein Mythos?

Wer sich seiner Multitasking-Fähigkeiten rühmt, ist wahrscheinlich ein Aufschneider. Denn fast kein Gehirn kann Aufgaben effizient parallel bearbeiten. Dr. Henning Beck, Neurowissenschaftler, Science-Slammer und Buchautor, erklärt, dass unser Gehirn Aufgaben eher sequentiell abarbeitet als parallel zu bearbeiten. Dies widerlegt die weit verbreitete Annahme, dass Multitasking eine erstrebenswerte Fähigkeit ist.

Quantenphysik im Gehirn? Eine neue Ära der Hirnforschung

Die Quantenphysik, die unsere Vorstellungskraft aufs Äußerste herausfordert, könnte eine Schlüsselrolle in der Biologie und Hirnforschung spielen. Teilchen können an zwei Orten gleichzeitig sein oder in einer spukhaften Verbindung stehen. Eigentlich sollten diese merkwürdigen Gesetze nur im Mikrokosmos gelten, in der Welt der Atome und Moleküle - so die gängige Lehrmeinung. Um ihre Thesen zu prüfen, haben diverse Forschungsteams nun aufwändige Experimente aufgesetzt. Sollten sie gelingen, dürften sie einen Paradigmenwechsel in Biologie und Hirnforschung nach sich ziehen - grundlegende Naturprozesse würden ganz anders ablaufen als gedacht.

Die Verstärker-Theorie und ihre Kontroverse

Bald nach Heisenbergs Geniestreich kamen andere Quanten-Pioniere auf eine verwegene Idee - allen voran Heisenbergs Mitstreiter Pascual Jordan. Jordans Hypothese: Die Quantenphysik prägt nicht nur die Welt der kleinsten Teilchen, sondern auch das Verhalten von Biomolekülen, dem Spielmaterial des Lebens. "Er nannte das die Verstärker-Theorie. Pascual Jordan war Mitglied in der NSDAP, er sympathisierte mit den Nazis. Dort fand seine These einigen Anklang. "Er formulierte sogar, dass das Führerprinzip ein zentrales Prinzip der Biologie des Lebens sei und jede lebende Zelle ein Steuerungszentrum als diktatorische Autorität habe. Krude Thesen, die dafür sorgten, dass die Fachwelt lieber die Finger ließ von der zu Grunde liegenden Frage: Kann es sein, dass Quantenphänomene die elementaren Prozesse des Lebens bestimmen? Ist die Biologie in Wirklichkeit eine Quantenbiologie? Eigentlich ein Ding der Unmöglichkeit.

Fotosynthese und Quantenkohärenz

Die Forschungsgruppe des Chemikers Graham Fleming im kalifornischen Berkeley hat fotosynthetische Komplexe genau angeschaut und Signale gefunden, die oszilliert haben. Daraus hat man geschlossen, dass dort eine wellenartige Dynamik stattfinden muss. Forschungsprojekt zur künstlichen FotosyntheseDen Prozess der Fotosynthese künstlich nachstellen - und das effizient: Wenn das gelingt, könnte man mit Sonnenenergie in großen Mengen Wasserstoff gewinnen. Aus Sonnenlicht wird in Pflanzen chemische Energie. Das Licht befreit elektrische Ladungen aus dem Molekülverbund im Chlorophyll, dem Blattgrün. Seit Jahrzehnten rätselt die Fachwelt darüber, warum die Fotosynthese so effektiv abläuft: Wie schafft es die Natur, Elektronen so schnell weiterzutransportieren, dass die Energie auch tatsächlich chemisch genutzt werden kann? Fleming und sein Team präsentieren 2007 mit ihrem Artikel einen neuen Lösungsansatz: Sie wollen beobachtet haben, dass sich Quantenphänomene nicht nur im ersten Augenblick zeigen, wenn das Licht auf das Blattgrün trifft. Sondern dass das Quantenverhalten viel länger andauert und dadurch auch die anschließenden Prozesse bestimmt: Laut Fleming läuft die Energie des Lichtteilchens kohärent, quasi im Schwingungsgleichklang durch den Molekülkomplex - ein typisches Quantenverhalten.

Lesen Sie auch: Investieren in Alzheimer-Zukunft

Kritik und Neubewertung

Thorwart ist Theoretiker. Mit einer Computersimulation versucht sein Team das neue Phänomen nachzuvollziehen. 2011 liegt das Resultat vor. "Unsere numerischen Berechnungen konnten die Experimente nicht reproduzieren und nicht erklären. Das hat dazu geführt, dass der Editor von einem Journal, in dem wir die Ergebnisse veröffentlichen wollten, uns geschrieben hat: Ihre Ergebnisse stimmen nicht mit dem Experiment überein. Doch Thorwart glaubt an sein Modell - und überzeugt ein Experimental-Team, die Versuche von 2007 zu wiederholen und kritisch zu prüfen. "Wir haben herausgefunden, dass die beobachteten Signale eindeutig gewöhnlichen Schwingungskohärenzen der Moleküle zugeordnet werden können. Demnach spielt die Quantenphysik nur im allerersten Moment eine Rolle, dem Moment der Lichtaufnahme. Sobald die Energie über den Molekülkomplex transportiert wird, bricht die Kohärenz zusammen, verlieren sich die Quanteneigenschaften in den Weiten des Moleküls.

Das Zentrum für Quanten-Biowissenschaften in Ulm

Das Zentrum für Quanten-Biowissenschaften der Uni Ulm arbeitet an hochspezifischen Laboren, mit denen neue Experimente realisiert werden sollen. Die Labore sind perfekt gegenüber der Außenwelt abgeschirmt, um Störquellen zu unterdrücken. Die Versuche sollen klären, ob Quantenprozesse tatsächlich stattfinden und wie sie genutzt werden können, um bessere Medizin zu machen und physiologische Prozesse detaillierter zu verstehen. Wenn sich tatsächlich diese Prozesse als wahr herausstellen, wird der große Schub natürlich in die Richtung gehen: Wie können wir das nutzen, um bessere Medizin zu machen? Wie können wir das nutzen, um detaillierter physiologische Prozesse zu verstehen und wie wir sie beeinflussen können?

Quantenbiologie und Esoterik

Prof. Die skeptischen Fachleute sind nicht die einzigen, mit denen sich Martin Plenio auseinandersetzen muss. "Ja, das gibt natürlich dem Feld manchmal einen schlechten Namen, weil das mit dieser Esoterik in Verbindung gebracht wird, wo eben nicht wissenschaftlich vorgegangen wird. Da wird einfach so nach dem Motto argumentiert: Wir verstehen das Gehirn nicht, wir verstehen die Quantenmechanik nicht - na ja, da müssen die beiden Sachen ja etwas miteinander zu tun haben! Aber ich versuche, diesen Menschen dann zu erklären, was der Unterschied in unseren Ansätzen ist.

Der Quantenkompass der Zugvögel

Wie schaffen es Zugvögel, sich derart präzise zu orientieren? Der Stand von Sonne und Sternen, prägnante Landmarken - all das hilft den Tieren dabei. "Das Magnetfeld ist hauptsächlich für deren Kompass wichtig, wenn sie nachts fliegen und keine Sonneninformationen haben. Wir beschäftigen uns mit nachtziehenden Singvogelarten hauptsächlich. Rotkehlchen ist eine. Henrik Mouritsen vermutet ein exotisches Quantenphänomen: Im Auge der Vögel sitzt ein Protein namens Cryptochrom. Je nach Richtung des Erdmagnetfelds richten sich die beiden Elektronen-Magneten unterschiedlich zueinander aus. Das beeinflusst eine biochemische Reaktion. Und die lässt den Vogel letztlich die Himmelsrichtung erkennen. Erste Indizien legen nahe, dass etwas an der Sache dran ist, meint Mouritsen.

Lithium und Kernspin: Ein Quanten-Brain?

Matthew Fisher an der University of California beschäftigt sich mit der Frage, ob es einen Unterschied macht, wenn man psychische Erkrankungen mit zwei verschiedenen Varianten von Lithium behandelt - dem häufigen Lithium-7 und dem seltenen Lithium-6? Lithium-7 besitzt im Atomkern ein Neutron mehr als Lithium-6. Chemisch sollten beide identisch sein. "Die Wirkung der beiden Isotope auf die Ratten war höchst unterschiedlich. Ich wollte wissen warum - sollte es daran liegen, dass die Atomkerne einen unterschiedlichen Spin besitzen? Atomkerne besitzen einen Spin, eine Art Eigendrall. Bildlich gesprochen können sie sich entweder links oder aber rechts herum drehen - oder auch beides gleichzeitig, eine verrückte Folge der Quantenphysik. Das Interessante: Kernspins sind vergleichsweise stabil und lassen sich nicht so schnell aus dem Takt bringen. Dadurch könnten sie selbst in der unruhigen Umgebung einer Zelle ihre Quanteneigenschaften behalten. Um der Sache nachzugehen, ruft Fisher ein Projekt namens "Quantum Brain" ins Leben, finanziert durch eine private Stiftung. Das zentrale Problem: Woraus könnten die organischen Qubits bestehen? "Das kann nur das Phosphoratom sein.

Lesen Sie auch: Funktionsweise des Gehirns

Die Verarbeitung von Zahlen im Gehirn

Wenn ich Ihnen ein Bild mit drei Punkten zeige, dann können Sie wahrscheinlich auf einen Blick erkennen, dass es drei sind. Bei fünf Punkten könnte es sein, dass Sie anfangen zu zählen, erst recht bei zehn. Zumindest geht es den meisten Menschen so. Und das hat - womöglich - damit zu tun, wie unser Gehirn Zahlen verarbeitet. Diese Frage hat eine Forschungsgruppe vom Universitätsklinikum Bonn und der Universität Tübingen untersucht. Und kommt dabei zu einigen faszinierenden Erkenntnissen: dass wir Neuronen haben, die auf einzelne Zahlen spezialisiert sind, zum Beispiel. Dass Mengen und Zahlen für unser Gehirn etwas komplett Unterschiedliches sind. Nach Anzeiche… Wir können nur Mengen bis vier korrekt schätzen. Dann wird's schwierig.

Soziale Interaktionen und Gedächtnisbildung

Soziale Interaktionen stärken nicht nur das Wohlbefinden, sondern auch unser Gedächtnis. Der Sitznachbar morgens im Bus, die Kollegin an der Kaffeemaschine, die Mitschülerin in der Pause - sie alle können dafür sorgen, dass wir uns Dinge besser merken. Die Idee, dass wir Ereignisse langfristiger abspeichern, wenn sie mit sozialen Begegnungen verknüpft sind, ist nicht neu. Soziale Reize aktivieren ein kleines, oft übersehenes Areal in unserem Gehirn, genannt CA2. Diese Region steht in direktem Kontakt zu anderen Bereichen des Hippocampus, unserer Gedächtnis-Schaltzentrale. Die CA1-Neuronen im Hippocampus speichern und verarbeiten vor allem räumliche und episodische Informationen.

Experimentelle Ergebnisse

Im ersten Schritt untersuchten die Forschenden, wie soziale Reize und Gedächtnis zusammenhängen. Dafür ließen sie Mäuse fünf Minuten mit einer neuen oder bekannten Maus interagieren, bevor die Tiere eine Aufgabe absolvieren mussten. Die Mäusen erhielten einen Stromschlag am Fuß, wenn sie von einer sicheren Acrylplattform auf ein Metallgitter traten. Bei der Messung des Lernverhaltens zeigte sich: Mäuse, die zuvor eine neue Maus kennengelernt hatten, erinnerten sich deutlich besser an diese Aufgabe als Mäuse, die eine Bekannte getroffen hatten. Um zu untersuchen, welche Rolle das Hirnareal CA2 dabei spielt, schaltete das Team vorübergehend die Neuronen dieser Region chemisch ab. Ergebnis: Mäuse mit blockierten CA2-Neuronen profitierten nicht vom gedächtnisstärkenden Effekt sozialer Interaktion.

Timing und Intensität

Dabei spielt das Timing eine zentrale Rolle: CA2 muss vor CA1 aktiviert werden, um Gedächtnisspuren zu erzeugen. Da die Studie an Mäusen durchgeführt wurde, ist sie womöglich nicht vollständig auf den Menschen übertragbar. Dennoch weisen die Hippocampusstrukturen von Mensch und Maus große Ähnlichkeiten auf. Auch lag der Fokus in der Studie auf dem Kontakt mit unbekannten Individuen. Welche Rolle vertraute Gesichter spielen, bleibt unklar. Diese können jedoch besonders über ihre emotionale Bedeutung Erinnerungen hervorrufen und stärken, schreiben die Studienautoren. Die Ergebnisse weisen dennoch darauf hin, dass sozialer Austausch unsere Gedächtnisbildung verstärken kann, vor allem, wenn er dem Lernen vorausgeht. Das unterstreicht, wie sinnvoll Lerngruppen oder Diskussionen für die Festigung von Wissen sein können.

Biologische Notwendigkeit

"Soziale Interaktion ist nicht nur eine Wohlfühlaktivität", sagt Studienautor Sreedharan Sajikumar. "Sie ist eine biologische Notwendigkeit, die die Funktionsweise des Gehirns direkt verändert. Die Untersuchung zeigt außerdem: Der gedächtnisfördernde Effekt sozialer Reize ist zeitlich begrenzt und hängt von der Intensität der Erfahrung ab - regelmäßige soziale Interaktion bleibt daher wichtig. Das kann auch Ansätze für Therapie und Prävention bieten. "Wenn wir verstehen, wie soziale Erfahrungen den Hippocampus formen, können wir gezielt eingreifen, um das Gedächtnis gefährdeter Gruppen zu stärken", sagt Studienautor Mohammad Zaki Bin Ibrahim.

Lesen Sie auch: Die Physiologie des Gehirns im Detail

Weitere Forschungsbereiche

Die Neurowissenschaften umfassen eine Vielzahl weiterer spannender Forschungsbereiche, darunter:

• Neuroplastizität: Wie sich das Gehirn durch Lernprozesse entwickelt (Brigitte Röder).
• Posttraumatische Belastungsstörungen: Forschung mit Fischen über die epigenetischen Effekte von Stress (Axel Meyer und Thomas Elbert).
• Künstliche Intelligenz (KI): Die Rolle von KI-Therapeuten und die potenziellen Risiken und Vorteile (Doktor Whatson).
• Nachhaltige Gewohnheiten: Wie nachhaltige Gewohnheiten entstehen (Science Slam).
• Glücksforschung: Was die Wissenschaft über Tugenden und Glück sagt (Science Slam).
• Motivation: Warum Betroffenheit der beste Motivator ist (Science Slam).
• KI-Chatbots: Die manipulative Kraft von Chatbots und die Frage, ob sie Freundschaft oder Liebe ersetzen können (Deutsche Welle).
• Extremismus: Wie Extremisten Kinder online radikalisieren (Deutsche Welle).
• Wissenschaftliche Sabotage: Wie Konzerne Wissenschaft sabotieren, um ihre Interessen zu schützen (Doktor Whatson).
• Empathie-VR: Der Einsatz von virtueller Realität im Naturschutz und in der Politik (Deutsche Welle).
• Appetitregulierung: Warum unser Körper Hunger als Kommunikationsmittel wählt und wie man den Appetit auf andere Arten regulieren kann (Science Slam).
• KI-Bildgeneratoren: Der Einfluss von KI-Bildgeneratoren auf unser Selbstbild (Deutsche Welle).
• Depressionen: Was im Gehirn passiert, wenn Depressionen den inneren Takt aus dem Gleichgewicht bringen (Science Slam).

tags: #der #geheime #takt #des #gehirns