Einführung
Die Erforschung des menschlichen Gehirns ist ein komplexes und fortlaufendes Unterfangen. Trotz bedeutender Fortschritte in den letzten Jahrzehnten bleiben viele Aspekte des zentralen Nervensystems ein Rätsel. Jüngste Studien englischer Wissenschaftler haben jedoch neue Einblicke in verschiedene Bereiche der Hirnforschung ermöglicht, von den Mechanismen des Lernens und der Gedächtnisbildung bis hin zu den Ursachen neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer.
Tilly Edinger und die Paläo-Neurologie
Tilly Edinger war eine Pionierin auf dem Gebiet der Paläo-Neurologie, die sich mit der Evolution des Gehirns beschäftigt. Sie schuf etwas eigentlich Unmögliches: Sie wollte Gehirne, also Weichteile, untersuchen, die längst verwest sind. Sie untersuchte Gehirne von Lebewesen längst vergangener Erdzeitalter, mit ihrer Entwicklung und Veränderung. Für ihre Forschungen hatte sie hauptsächlich Fossilien zur Verfügung. Edinger erkannte, dass sich in fossilen Schädeln Abdrücke der Gehirne erhalten konnten. Sie untersuchte diese Gehirnausgüsse sehr genau und verglich sie miteinander. Die Gehirnausgüsse, die Edinger benutzte, waren zum Teil auf natürliche Weise entstanden, wenn der Schädel eines Tieres in bewegtem Wasser gelegen hatte. Um etwas über die Entwicklung, Fähigkeiten und vielleicht sogar die längst vergangenen Lebensräume der von ihr untersuchten Wirbeltiere sagen zu können, brauchte Tilly Edinger mehr Gehirn-Ausgüsse als diese natürlichen. Deshalb goss sie vorhandene (fossile) Schädel mit flüssigem Gips aus.
Ihre Forschungsmethoden hingen eng mit ihren persönlichen Begabungen zusammen. Sie konnte sehr gut beobachten und ihre Beobachtungen aus verschiedenen Blickwinkeln erklären. Sie konnte auf verschiedenen Ebenen denken: Wenn sie Teile von Fossilien vor sich hatte, konnte sie Linien und Formen gedanklich weiterführen und sich den nicht mehr überlieferten Schädel oder das gesamte Gehirn räumlich vorstellen. Außerdem konnte sie Erkenntnisse von anderen Wissenschaftler*innen, die schon verstreut vorhanden waren, zusammenfassen und neu deuten und bewerten.
Edingers bahnbrechende Erkenntnis war, dass die Hirngröße nicht gemeinsam mit der Körpergröße zunahm. Stattdessen entwickelten sich die Gräben und Furchen des Gehirns, die für seine Vergrößerung und die Zunahme von Fähigkeiten verantwortlich sind, eigenständig. Diese unabhängig voneinander verlaufenen Geschwindigkeiten des Wachstums nannte sie „Prinzip der Nichtkorrelation“.
Mit ihren Untersuchungen an fossilen Pferdegehirnen hat Tilly Edinger eine grundlegend neue Erkenntnis erarbeitet, die bis heute in der Evolutionslehre gilt: Sie hat gezeigt, dass die Gehirne der Tiere sich unabhängig entwickelt haben, dass sie also nicht gleichzeitig mit ihren Körpern gewachsen sind, und dass das Aussterben oder Überleben einer Art nicht unbedingt mit der Gehirngröße zusammenhängt. Einige Jahre später kam der englische Zoologe de Beer zu ähnlichen Ergebnissen. Er sprach von der Mosaik-Evolution.
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Neue Therapieansätze bei Alzheimer
Ein Forschungsteam der Universität Heidelberg in Zusammenarbeit mit der chinesischen Shandong-Universität hat einen neuen Mechanismus entdeckt, der erklären könnte, warum Nervenzellen bei Alzheimer-Patienten absterben: Im Zentrum steht ein giftiger Protein-Komplex, genannt „Todeskomplex“. Die Forscher haben herausgefunden, dass ein eigentlich nützlicher Schalter im Gehirn - der sogenannte NMDA-Rezeptor, der für die Kommunikation zwischen Nervenzellen benötigt wird - in bestimmten Situationen eine Verbindung mit einem anderen Molekül eingeht: dem Ionenkanal TRPM4. Verbinden sie sich miteinander, entsteht der toxische „Todeskomplex“, der Nervenzellen angreift und absterben lässt.
In den aktuellen Untersuchungen an einem Mausmodell ist es den Wissenschaftlern gelungen, den tödlichen Protein-Protein-Komplex mithilfe eines neuroprotektiven Moleküls mit der Bezeichnung FP802 zu zerlegen. Das Molekül löste also den schädlichen Komplex auf - und bremste den geistigen Abbau bei Mäusen deutlich. Mäuse, die mit dem Molekül FP802 behandelt wurden, behielten ihre Lern- und Gedächtnisfähigkeiten länger. Auch die Nervenzellen blieben intakt und für Alzheimer typische Beta-Amyloid-Ablagerungen im Gehirn bildeten sich langsamer.
Die Hoffnung des Forschungsteams: FP802 könnte möglicherweise nicht nur das Fortschreiten von Alzheimer verlangsamen, sondern auch bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen wie Amyotrophe Lateralskelrose (ALS) wirken.
Sensorische Integration im Gehirn
Wie unser Gehirn verschiedene sensorische Eindrücke zu einer einheitlichen Wahrnehmung zusammenfügt, ist ein weiteres Gebiet intensiver Forschung. Dr. James Poulet vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in Berlin untersucht, wie das Gehirn Temperatur und Berührung integriert.
Poulet und sein Team benutzen Mäuse als Modell, um verschiedene Sequenzen im Gehirn zu verfolgen. Dazu trainieren Poulet und sein Team Mäusen an, mit ihrer Vorderpfote einen Hebel zu berühren, sobald sie beim Betasten eines Objektes auch Kälte wahrnehmen.
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In einem sogenannten optogenetischen Verfahren sollen deshalb lichtempfindliche Proteine an bestimmte Zellen im Gehirn geknüpft werden. Wie mit einer Art Schalter lassen sich mit den Proteinen Wahrnehmungsprozesse aktivieren oder deaktivieren. Solche Forschungserkenntnisse könnten dazu beitragen, gesunde Verbindungsprozesse im Gehirn von abweichenden Mustern zu unterscheiden.
Die Split-Brain-Forschung von Roger Sperry
Der US-amerikanische Neurobiologe Roger Sperry führte in den 1960er Jahren bahnbrechende Forschungen zum Thema Split-Brain durch. Dabei wurde bei Patienten mit schwerer Epilepsie der Balken (Corpus callosum), die Verbindung zwischen den beiden Hirnhälften, durchtrennt, um die Ausbreitung von Anfällen zu verhindern.
Sperry erforschte jahrelang, welche Folgen die Durchtrennung des Balkens für die Patienten hatte und was sich daraus über die Spezialisierung der Hirnhälften erfahren ließ. Die linke Seite sei eher für Analytisches und Sprachliches zuständig, die rechte Seite sei besser in räumlicher Wahrnehmung und Musik.
Die Informationen aus dem linken Gesichtsfeld gelangen so nur in die rechte Hirnhemisphäre. Umso erstaunlicher ist, dass Patienten trotzdem die nur dem linken Gesichtsfeld präsentierte Gabel mit einem Begriff auf einer Liste verbinden konnten: Ihre rechte Hirnhälfte sei doch nicht „Wort-blind“ noch „Wort-stumm“ - nur nicht so sprachbegabt wie die linke Hirnhälfte.
Thomas Willis und die Anfänge der Neurologie
Der englische Mediziner und Neuroanatom Thomas Willis gilt als Begründer der Neurologie. Seine wohl bekannteste Leistung ist die funktionelle Beschreibung des nach ihm benannten Arterienrings des Gehirns (Circulus Willisi), der die Blutversorgung des Gehirns sichert. Seine Klassifikation von neun Hirnnerven wurde erst 1788 durch die bis heute gültige Einteilung in 12 Hirnnerven durch Samuel Thomas von Soemmerring abgelöst.
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Für seine Hirnstudien griff er erstmals auf eine damals brandneue Technik zurück, die der Astronom und Architekt Christopher Wren (1632−1723) für die Präparation von zoologischen Objekten entwickelt hatte: Willis legte das Objekt seines Interesses in reinen Alkohol ein, um es vor schnellem Verfall zu bewahren und zu fixieren. So konnte er das Gehirn in einem Stück entnehmen und exakte Schnitte anfertigen. Die Proben betrachtete er durch ein Vergrößerungsglas.
Mit diesen Methoden konnte er den nach ihm benannten Arterienring des Gehirns, den Circulus arteriosu (cerebri), auch Circulus Willisi genannt, in seiner Funktion bestimmen: Dieser sicherte die Blutversorgung des Gehirns.
Wegweisend waren ferner seine genauen Beobachtungen, die Neuroanatomie, Pathologie und klinische Störungen zu einem Gesamtbild verbanden. Denn Willis stützte seine Erkenntnisse auch auf Fallgeschichten von Patienten, die er nach dem Tod sezierte, um anatomische Erklärungen für ihre Symptome zu finden. So beschrieb er erstmals die Myasthenia gravis, das Restless-Legs-Syndrom und Hirnveränderungen bei angeborenen neurologischen Störungen.
Die Plastizität des Gehirns
Eine der wichtigsten Eigenschaften des Gehirns ist seine Lernfähigkeit. Bis vor wenigen Jahren galt unter Wissenschaftlern als ausgemacht: Das Gehirn eines Erwachsenen verändert sich nicht mehr. Heute weiß man jedoch, dass das Gehirn bis ins hohe Alter laufend umgebaut wird.
Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als synaptische Plastizität. So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet.
So wissen Neurowissenschaftler heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden. Es ist also nicht übertrieben, wenn man sagt: Unser Gehirn gleicht zeitlebens einer Baustelle.
Seine Plastizität hilft dem Gehirn zudem, Schäden zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen.
Das Darmmikrobiom und die Gehirnfunktion
Die Forscher von TwinsUK, dem größten britischen Register für erwachsene Zwillinge mit Sitz am King’s College London, haben ihr Augenmerk auf das Darmmikrobiom gerichtet. Und zwar auf die Frage, wie sich ein gestärkter Bakterienteppich auf die Muskelgesundheit und die Gehirnfunktion auswirken würde.
Die Ballaststoffergänzung führte zu erheblichen Veränderungen in der Zusammensetzung des Darmmikrobioms der Teilnehmer - insbesondere zu einem Anstieg der Anzahl nützlicher Kleinstlebewesen wie Bifidobakterien.
Während es zwischen den Gruppen keinen signifikanten Unterschied in der Muskelkraft gab, schnitt die Ballaststoff-Gruppe bei Tests zur Beurteilung der Gehirnfunktion besser ab. Sie absolvierten dazu den sogenannten Paired-Associates-Learning-Test, der einen früher Marker für die Alzheimersche Krankheit darstellt.
Auch in Tests zur Reaktionszeit und Verarbeitungsgeschwindigkeit schnitten sie besser ab.
Tagträume und kognitive Kontrolle
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig und der Universität York in England haben herausgefunden, dass auch das Gegenteil der Fall sein kann: Wenn wir gezielt unseren Gedanken nachhängen, arbeiten bestimmte Hirnstrukturen sogar effektiver zusammen, die für unsere kognitive Kontrolle zuständig sind.
„Wir haben herausgefunden, dass bei Menschen, die häufig gewollt mit ihren Gedanken abschweifen, der Stirnbereich der Großhirnrinde dicker ausgebildet ist“, erklärt Johannes Golchert, Doktorand am Leipziger Max-Planck-Institut. „Außerdem hat sich gezeigt, dass sich bei ihnen zwei entscheidende Hirnnetzwerke stärker überlappen. Zum einen das sogenannte Default-Mode Netzwerk, das besonders aktiv ist, wenn wir unsere Aufmerksamkeit nach innen auf Informationen aus unserem Gedächtnis richten.
Wenn beide Netzwerke stärker miteinander verknüpft sind, kann das Kontrollnetzwerk stärker auf unsere losen Gedanken einwirken und ihnen so eine stabilere Richtung geben. Das ist der Beleg dafür, dass unsere geistige Kontrolle im Falle des gezielten Tagträumens keineswegs aussetzt.
Ein konserviertes Gehirn aus der Römerzeit
Rachel Cubitt vom York Archaeological Trust entdeckte den geschrumpften Gewebeklumpen, als sie einen gerade geborgenen Schädel reinigte. Dass es sich bei der gelblichen Substanz mit der Konsistenz von Tofu tatsächlich um das Hirn des Verstorbenen handelt, zeigte die genauere Untersuchung mit Hilfe eines Computertomografen: Der Fund wies alle typischen Merkmale von Hirnmasse auf.
Der gute Erhaltungszustand ist deshalb so erstaunlich, weil von dem Körper ansonsten lediglich die Knochen die Zeiten überdauerten.
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