Das menschliche Gehirn ist ein bemerkenswertes Organ, das ständig im Fokus wissenschaftlicher Untersuchungen steht. Seine Fähigkeit, Daten schneller und energieeffizienter zu verarbeiten als herkömmliche Computer, fasziniert Forscher weltweit. Dieser Artikel beleuchtet aktuelle Forschungsansätze, die darauf abzielen, die Funktionsweise des Gehirns besser zu verstehen und seine Fähigkeiten für zukünftige Technologien zu nutzen.
Biocomputer: Eine Revolution in der Datenverarbeitung?
Der deutsche Forscher Thomas Hartung arbeitet an einem „Biocomputer“, einem Rechner, der menschliche Gehirnzellen mit künstlichen Sensoren verbindet. Zu diesem Zweck stellt Hartung im Labor Gehirn-Organoide her. Das sind millimetergroße Zusammenballungen menschlicher Gehirnzellen. Man kann sie mit der seit rund 20 Jahren etablierten Technik der Reprogrammierung ausgereifter Zellen zu entwicklungsfähigen Zellen erschaffen. „Wenn es uns gelingt, sie ausreichend mit Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen, können wir demnächst auch größere Organoide heranwachsen lassen“, sagt Hartung im FOCUS-Gespräch.
Erste Anwendungen wären Tests, die über grundlegende neurologische Fragen wie das Lernen oder über die Entstehung von Alzheimer aufklären könnten. Auch ließen sich an den Organoiden mögliche Wirkstoffe erproben. Das dient einem weiteren wissenschaftlichen Anliegen Hartungs, dem Ersatz von Tierversuchen.
Die Verwendung von Miniaturgehirnen wirft jedoch ethische Fragen auf. In einem Artikel in der Fachzeitschrift „Frontiers in Science“ versprechen Hartung und 20 weitere Forscher, „Neuroethiker“ hinzuziehen. Die Ethikexperten sollen unter anderem klären, ob die Organoide irgendwann eine Form von Bewusstsein erlangen können - oder „nur“ Empfindungen ausgesetzt sind.
Die tatsächlichen Errungenschaften auf dem Weg zum Computer auf Basis menschlicher Neuronen sind zwar noch bescheiden, lassen aber Raum für Fantasie. Der Australier Brett Kagan verband Gehirnzellen mit Elektroden und programmierte sie darauf, das 70er-Jahre-Videospiel „Pong“ zu erlernen. Kagan zählt zu Hartungs Biocomputer-Expertenteam.
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Effizienz und Klimafreundlichkeit von Biocomputern
Folgt man Hartung, wären Biocomputer ein Dienst am Klima. Denn sie wären in vielerlei Hinsicht effizienter. Das menschliche Gehirn brauche zwar länger als eine Maschine, um etwa große Rechenaufgaben zu bewältigen. In komplexen und intuitiven Dingen sei es aber viel besser. „Ein Kind kennt den Unterschied von Hund und Katze, nachdem es zehn Bilder gesehen hat“, verdeutlicht der Forscher. Ein Computer benötige ein Vielfaches an beispielhaften Vorlagen.
Neuronale Netze und die Kartierung des Gehirns
Ein weiterer wichtiger Forschungsbereich ist die Kartierung neuronaler Netze. Zuvor war es gelungen, menschliche Gehirn-Organoide so in die Gehirne junger Ratten zu transplantieren, dass sie sich in das wachsende Organ integrierten und das Verhalten des Tiers beeinflussten. Vor wenigen Tagen veröffentlichte eine schwedische Gruppe das Konzept einer Art Elektrodenzucht in lebendem Gewebe. Ein spezielles Gel enthält Enzyme, die im Körper leitfähige Materialien herstellen. Die entsprechenden Versuche gelangen den Schweden an Zebrafischen und Blutegeln. Die Forschungsarbeit eröffnet neue Möglichkeiten, mit Implantaten Krankheiten zu bekämpfen, im Gehirn und anderswo.
Ein Team von mehr als 600 internationalen Forschern kartierte erstmals ein komplettes Fliegenhirn, alle 139 255 Nervenzellen mit den 54,5 Millionen Synapsen eines weiblichen Exemplars. „Konnektom“ nennen ihn die Forscher. Er unterscheidet 8453 verschiedene Typen von Nervenzellen und zeigt beispielsweise, welche Knotenpunkte fürs Fliegen oder Sehen zuständig sind. Die nun erprobten Methoden könnten es eines Tages erlauben, auch einen Atlas der Verknüpfungen für das menschliche Gehirn mit seinen 86 Milliarden Zellen zu entwickeln und so seine Funktionsweise besser zu verstehen.
Intelligenzforschung: Wie kommt der Geist in den Kopf?
Besonders in den frühen Lebensjahren wächst das Gehirn rasant. Unzählige Nervenzellen entstehen, anschließend werden unnötige ausgemistet. Das Gehirn gewinnt seine geistigen Fähigkeiten. Wie dieser Prozess jedoch genau abläuft, ist eines der großen Rätsel der Neuroforschung. Nun entdecken Wissenschaftler Schritt für Schritt die entscheidenden Faktoren.
Sicher war lange nur die Rolle des sozialen Umfelds. Intelligenzforscher Detlef Rost von der Universität Marburg zufolge kann „jeder Schulmonat den IQ um einen drittel bis einen halben Punkt anheben“. Jedes Schuljahr bedeutet demnach je nach Ausgangssituation und Engagement ein Plus von bis zu fünf Punkten. „Das Hochschulstudium scheint sich ähnlich positiv auszuwirken“, schreibt Rost. Der Pädagoge weiß zwar um die teilweise heftige Kritik am Intelligenzkonzept - hält es jedoch „für ohne jeden Zweifel belegt, dass der IQ allein eine gute Prognose in unterschiedlichen Bereichen des Alltagslebens gestattet“. Im Schnitt verdienen Intelligente mehr, sind glücklicher und sogar gesünder.
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Der Einfluss von Stress auf die Gehirnentwicklung
Welchen IQ ein Mensch erreicht, hängt allerdings längst nicht nur von Genen und guter Förderung ab, wie die Beobachtungen aus Kanada zeigen. Weder waren die Eissturm-Kinder erblich benachteiligt, noch wuchsen sie vernachlässigt auf. Im Zuge des Naturdramas, so die Erklärung des Mediziners, war bei den Schwangeren die Konzentration des Stresshormons Cortisol im Blut angestiegen - und hatte nachteilig auf die Gehirnentwicklung des Ungeborenen gewirkt. Erste Daten legen nahe, dass vor allem der Hippocampus betroffen ist, eine für das Lernen zentrale Hirnregion. „Bei Kindern, die höheren Cortisol-Werten ausgesetzt waren, war sie kleiner.“
Neurogenese: Die Entstehung neuer Nervenzellen
Dieses unscheinbar wirkende Hirnareal birgt noch weitere Überraschungen. Denn dort geschieht, was früher undenkbar war: Einige tausend Neuronen entstehen bei Erwachsenen, und selbst bei alten Menschen scheinen noch Zellen hinzuzukommen. Werden sie gebraucht, „bleiben sie dauerhaft erhalten“, sagt Gerd Kempermann vom Zentrum für Regenerative Therapien in Dresden. Einfluss darauf scheinen nicht nur dramatische Ereignisse wie ein Eissturm zu nehmen - sondern auch ganz alltägliche Dinge wie Spaziergänge.
Schon zehn bis 15 Kilometer pro Woche schützen ältere Menschen vor geistigem Abbau, wie jüngst eine Studie an 299 Versuchspersonen zeigte. Zumindest in jungen Jahren scheint Sport sogar die Intelligenz zu erhöhen - so jedenfalls eine Beobachtung an 1,2 Millionen schwedischen Rekruten. Jene in guter physischer Verfassung schnitten auch bei IQ-Tests tendenziell besser ab.
Ein Grund ist sicherlich, dass Sport die Durchblutung des Gehirns erhöht und die Zellen damit besser mit Nährstoffen versorgt. Gleichzeitig aber vermuten Forscher den Botenstoff BDNF am Werk. Er wird unter anderem bei körperlicher Aktivität ausgeschüttet „und ist der Überlebensfaktor für neue Zellen schlechthin“, berichtet Kempermann.
Ernährung und Intelligenz
Schritt für Schritt lüften die Forscher so das Geheimnis der Intelligenzentwicklung - und stoßen auf immer mehr subtile wie weit reichende Zusammenhänge, etwa zwischen Hirnleistung und Essgewohnheiten. Britische Forscher hatten bei 8000 Kindern bis zu einem Alter von acht Jahren erfasst, welche Gerichte sie in der Woche aßen. 32 Prozent der Kleinen, die fast keinen Fisch bekamen, besaßen auffallend geringe verbale Fähigkeiten. Bei jenen, die mindestens 340 Gramm pro Woche zu sich nahmen, waren es nur 16 Prozent.
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Fisch enthält hohe Mengen an mehrfach ungesättigten Fettsäuren, die vor allem bis ins Kleinkindalter zur Gehirnreifung wichtig sind. Der Ernährungsexperte empfiehlt daher, stillenden Müttern sowie Kindern ein- bis zweimal pro Woche Fisch zu servieren.
Trainierbarkeit der Intelligenz
Insbesondere Übung führt zu einem ständigen Umbau des Denkapparats. Eine Forschergruppe um den Psychologen Walter Perrig von der Universität Bern zeigte, dass Intelligenz auch jenseits des Jugendalters trainierbar ist. Als Hebel diente ihnen das Arbeitsgedächtnis, das Informationen präsent hält, neu verknüpft und damit als ein Schlüssel zu intelligentem Verhalten gilt. Im Auftrag von Perrig trainierten 70 Studenten zwischen acht und 19 Tage mit einem eigens entwickelten Computerprogramm dieses Hirnareal. Tatsächlich stieg ihre Leistung in Intelligenztest-Aufgaben.
Um den Geist zumindest fit zu halten, scheinen allerdings schon die Anforderungen eines normalen Arbeitsalltags auszureichen. Dies lässt sich aus Beobachtungen schließen, die internationale Studien immer wieder bestätigen: Lassen sich Menschen pensionieren, „gehen ihre in IQ-Test gemessenen analytischen Fähigkeiten rasch zurück“, berichtet der renommierte Intelligenzforscher James Flynn, emeritierter Professor von der Universität Otago in Neuseeland.
Selbststeuerung und Frontalhirn-Training
Der Psychiater Manfred Spitzer plädiert für Disziplinübungen bei Kindern und hält Lernspiele für „digitalen Krempel“. Er hat ein Programm entwickelt, das die Selbststeuerungsfähigkeiten von Kindern verbessern will. Spitzer: Weil diese Selbststeuerungsfähigkeiten in modernen Gesellschaften verkümmern.
Spitzer: Wir haben ein Schulungsprogramm für Erzieher und Lehrer erarbeitet. Es sieht vor, Selbststeuerungskontrolle nicht nur eine Stunde pro Woche anzubieten, sondern immer beim Spielen oder Lernen zur Anwendung zu bringen. Außerdem haben wir drei Brettspiele entwickelt. Zunächst geht es in den Spielen darum, regelkonform zu handeln. Doch dann werden die Regeln immer wieder umgedreht. So wird stetig der Schwierigkeitsgrad gesteigert und automatisiertes Handeln durchbrochen. Das ist Frontalhirn-Training pur.
Spitzer: Konzentration und Gefühlskontrolle - all das wird durch das Frontalhirn gesteuert. Dessen Aufgabe besteht darin, nicht reflexhaft beispielsweise auf eine Ablenkung zu reagieren, sondern zielgeleitet zu handeln. Selbststeuerung ist eine Frontalhirn-Funktion, das ist wissenschaftlich durch Gehirn-Scans bewiesen. Salopp ausgedrückt sind die einfacheren Gehirnzentren der Autopilot und das Frontalhirn die manuelle Steuerung. Ein Kind, das aufmerksamkeitsgestört ist, steuert nicht seine Motorik, sondern wird von ihr gesteuert.
Spitzer: Seit den 70er-Jahren weiß man, dass das Lernen von der Verarbeitungstiefe abhängt. Wenn Kinder aber nur noch auf das tolle Zeug reagieren, das aus dem Computer kommt, lernen sie nicht nur nichts, sondern man zerstört damit auch die Selbststeuerungskräfte. Das passiert übrigens schon nach wenigen Minuten, vor allem wenn Kinder schnelle Cartoons ansehen.
Gehirngesundheit: Mythen und Fakten
Keine Generation vor uns war so sehr auf ein bis ins Alter gesundes Gehirn angewiesen wie wir, sagt Neurobiologe Martin Korte. Die Anforderungen an unser Hirn ebenso. Nie war die Welt, in der wir leben, schneller, komplexer, unbeständiger als heute. Folglich müssten wir lernen, 39.850 Produkte im Regal zu ignorieren, zu sortieren, zu filtern - und entsprechend selektiv mit Sinneserlebnissen und Wissen umzugehen, erklärt der Professor für Neurobiologie in seinem aktuellen Buch „Hirngeflüster“. Denn Vergessen und Filtern seien in der hochkomplexen Welt von heute genauso wichtig, um das Hirn zu trainieren, wie Lernen und Erinnern.
„Use it or lose it“: Die Bedeutung von Aktivität für das Gehirn
Um im Kopf fit und den Anforderungen gerecht bleiben zu können, bedarf es Professor Korte zufolge gezieltem Training. Die grauen Zellen müssen auf Trab gehalten, gefordert und gefördert werden. Im Gegensatz zu anderen Organen, die umso schneller altern, je stärker sie genutzt werden, gilt für das Gehirn dabei ein ungewöhnlicher, weil umgedrehter Mechanismus: „Es gibt Beispiele, dass neuronale Aktivität Neurone sogar vor Alterungsprozessen schützt. Das hängt damit zusammen, dass Neurone, wenn sie elektrische und chemische Signale weiterleiten, auch für sie selbst schütztende Faktoren ausschütten“, erklärt der Neurowissenschaftler.
Das ist grundsätzlich ein Leben lang möglich. Ein Verfallsdatum der Lernfähigkeit des eigenen Hirns gibt es nicht - wenngleich das Lernen von neuen Dingen, Sprachen, Prozessen mit zunehmendem Alter schwieriger wird. „Zurücklehnen mit der Aussage: ‚Tja, da ist nichts mehr zu machen, mein Kopf steckt in seiner finalen Struktur fest‘ funktioniert nicht. Denn Neurone können zwar sterben, aber werden in einigen Gehirnarealen auch immer wieder neue geboren“, erläutert Korte.
Gehirnjogging: Mehr Schein als Sein?
Wie das geht? Mit Sudoku und Kreuzworträtsel, also dem, was Ratgeber und Frauenzeitschriften klassischerweise als Gehirnjogging verkaufen, auf jeden Fall nicht, sagt Korte. „Diese Tätigkeiten machen zwar Spaß, stellen aber für das Gehirn keinen Leistungsgewinn dar. Wir werden dadurch besser darin, spezifische Aufgaben zu lösen. Doch weder unser Zahlen- noch unser Faktengedächtnis verbessert sich, und vor allem wirkt sich dieses hochspezialisierte Training nicht auf andere Denktätigkeiten aus.“
Tipps für ein optimal leistungsfähiges Gehirn
Um sich Dinge möglichst schnell und für möglichst lange Zeit einzuprägen, empfiehlt der Neurowissenschaftler außerdem:
- Definieren Sie ein klares Lernziel und unterteilen Sie den Weg dorthin in Etappen
- Vermeiden Sie Stress und negative Emotionen
- Treiben Sie Sport
Wer auch im Alter noch auf ein optimal leistungsfähiges Gehirn spekuliert, sollte sich dem Professor nach zudem an diese 6 Faustregeln halten - und damit schon vor dem 50. Lebensjahr anfangen, um mit 75 noch möglichst fit im Kopf zu sein:
- Regulieren Sie Ihr Gewicht und ernähren Sie sich gesund; dabei Bluthochdruck und Diabetes meiden bzw. behandeln lassen.
- Bewegen Sie sich regelmäßig.
- Rauchen Sie nicht.
- Lassen Sie Gehör kontrollieren.
- Pflegen Sie Ihre Zähne.
- Schlafen Sie ausreichend.
Die Bedeutung von Ruhe und Langeweile
Die spanische Neurowissenschaftlerin Liset Menéndez de la Prida erforscht am Cajal-Institut in Madrid, wie das Gehirn Erinnerungen bildet, Zeit wahrnimmt und Orientierung schafft. Ein zentraler Punkt des Interviews betrifft den Einfluss moderner Lebensgewohnheiten. Ständige Reize - etwa durch Social Media, Informationsflut oder künstlich erzeugte Dopamin-Kicks - erhöhen die Belastung des Nervensystems. Wörtlich sagt sie: „Nicht normal, ständig nach Vergnügen zu streben; es ist wichtig, sich zu langweilen.“ Nur in Ruhephasen könne das Gehirn seine Aktivität neu ordnen und langfristig stabil halten.
Aufbau und Funktion des Gehirns
Das Gehirn ist ein zentrales Organ des menschlichen Körpers, das kognitive Höchstleistungen vollbringen kann und Sitz des Denkens, Fühlens und Handelns ist. Gemeinsam mit dem Rückenmark bildet das Gehirn das Zentralnervensystem (ZNS). Ein menschliches Gehirn besteht aus 80 bis 100 Milliarden Nervenzellen. Sein Gewicht beträgt im Schnitt etwa 1.300 Gramm, wobei das Gehirn von Männern (ca. 1.400 Gramm) etwas schwerer ist als das von Frauen.
Die verschiedenen Bereiche des Gehirns
Beim Aufbau des Gehirns und seiner Anatomie lassen sich verschiedene Bereiche unterscheiden:
- Großhirn: Macht mit knapp vier Fünfteln den größten Teil des Gehirns aus. Die Oberfläche des Großhirns - die Großhirnrinde - ist in sich gestülpt, gewölbt und besteht aus vielen Furchen und Windungen. Im Großhirn liegen beispielsweise das Sehzentrum, Hörzentrum und Sprachzentrum. Auch die Koordination und Steuerung von Bewegungen ist im Großhirn angesiedelt.
- Zwischenhirn: Liegt in der Mitte des Gehirns, wird vom Großhirn umhüllt und schließt hinten an den Hirnstamm an. Zu den Funktionen des Zwischenhirns gehören das Weiterleiten von Signalen ins Großhirn und das Herausfiltern unwichtiger Reize. Zudem stellt es die Balance zwischen Sympathikus und Parasympathikus her.
- Kleinhirn: Auch Cerebellum genannt, ist nach dem Großhirn der zweitgrößte Teil des Gehirns. Es liegt rückseitig hinter dem Hirnstamm und ist mit diesem verbunden. Eine Haupt-Funktion des Kleinhirns ist die Kontrolle der Bewegungen (Motorik).
- Hirnstamm: Liegt hinter dem Zwischenhirn. Zur grundlegenden Funktion des Hirnstamms gehört es, die unbewusst ablaufenden Mechanismen des Nervensystems zu steuern. Der Hirnstamm kontrolliert etwa den Blutdruck, den Herzschlag, die Atmung oder das Schwitzen. Auch werden im Hirnstamm die Signale für bestimmte Reflexe wie Schlucken, Erbrechen oder Husten verarbeitet.
- Limbisches System: Ist eine funktionale Einheit, die sich aus verschiedenen Gehirnstrukturen des Großhirns, des Zwischenhirns und des Mittelhirns zusammensetzt. Das limbische System befindet sich im Zentrum des Gehirns. Es liegt um den Hirnstamm und den Balken herum. Das limbische System wird oft als „emotionales Zentrum“ des Gehirns beschrieben. Tatsächlich ist es eine der hauptsächlichen Funktionen des limbischen Systems, Emotionen zu verarbeiten.
Erkrankungen des Gehirns
Wie alle anderen Organe des menschlichen Körpers kann auch das Gehirn erkranken. Es gibt verschiedenste Gehirn-Erkrankungen, die mit einer Schädigung des Gehirns verbunden sind oder ihren Ursprung im Gehirn haben. Bei Krankheiten, die das Nervensystem betreffen, zu dem auch das Gehirn gehört, ist ein Facharzt für Neurologie der richtige Ansprechpartner. Um diese Krankheiten erkennen zu können, können Neurologen eine ganze Reihe unterschiedlicher Testverfahren einsetzen. Dabei untersuchen sie etwa die Koordination, das Gedächtnis oder auch die Augen eines Patienten.