Einführung
Die Erforschung des menschlichen Gehirns ist ein komplexes und dynamisches Feld, das ständig neue Erkenntnisse liefert. Französische Forschungseinrichtungen spielen dabei eine wichtige Rolle und tragen maßgeblich zum Verständnis der neuronalen Prozesse und der Auswirkungen von Lernen, Alterung und Krankheiten auf das Gehirn bei. Dieser Artikel fasst aktuelle Studien und Erkenntnisse aus der französischen Hirnforschung zusammen und beleuchtet verschiedene Aspekte, von der Gedächtnisbildung bis hin zu den Auswirkungen von Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson.
Neuronale Mechanismen der Gedächtnisbildung
Trennung von Inhalt und Kontext im Hippocampus
Eine aktuelle Studie von Forschenden der Universität Bonn in Zusammenarbeit mit französischen Wissenschaftlern hat neue Einblicke in die Funktionsweise des menschlichen Gedächtnisses gegeben. Die Studie untersuchte, wie das Gehirn Gedächtnisinhalte mit den Umständen verknüpft, in denen diese auftreten. Die Forschenden fanden heraus, dass das menschliche Gehirn zwei unterschiedliche Gruppen von Neuronen nutzt, um Inhalt und Kontext getrennt voneinander zu speichern.
Konzeptneuronen reagieren spezifisch auf bestimmte Personen oder Objekte, unabhängig von der Umgebung, in der sie auftauchen. Kontextneuronen hingegen reagieren auf spezifische Aufgabenkontexte, unabhängig vom gezeigten Bild. Im Gegensatz zu Nagetieren kodieren nur sehr wenige Neuronen im menschlichen Gehirn beides gleichzeitig. Diese unabhängigen Nervenzellgruppen kodieren Inhalt und Kontext gemeinsam und am zuverlässigsten, wenn Aufgaben korrekt gelöst werden. Die Verbindungen zwischen ihnen verstärken sich im Laufe der Zeit, wobei das Feuern eines Inhalts-Neurons die Aktivität eines Kontext-Neurons vorhersagt. Dieser Prozess ermöglicht es dem Gehirn, aus einer Teilinformation den kompletten Erinnerungskontext zu rekonstruieren.
Diese Arbeitsteilung erklärt wahrscheinlich die Flexibilität des menschlichen Gedächtnisses. Es bleibt jedoch zu klären, ob passive Hintergrundkontexte des Alltags durch dieselben neuronalen Mechanismen verarbeitet werden und ob die Mechanismen auch außerhalb des Kliniksettings überprüft werden können.
Der Einfluss von Lernen auf das Gehirn
Lesenlernen verändert die Gehirnstruktur
Eine bahnbrechende Studie eines internationalen Forscherteams unter der Leitung von Stanislas Dehaene (Collège de France, CEA/Inserm) und Laurent Cohen (Inserm, AP-HP, Universität Pierre et Marie Curie) hat gezeigt, dass das Lesenlernen das Gehirn verändert. Mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) wurde die Gehirntätigkeit von mehr oder weniger alphabetisierten Erwachsenen gemessen, während sie verschiedenen Stimuli ausgesetzt waren.
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Die Studie ergab, dass bei der Präsentation geschriebener Sätze lesekundige Personen im Gegensatz zu Analphabeten eine erhöhte Aktivität in mehreren Gehirnregionen zeigten, die für die Verarbeitung visueller und sprachlicher Informationen zuständig sind. Der visuelle Kortex organisiert sich teilweise neu, wobei die Worterkennung in Konkurrenz zu anderen Leistungen des visuellen Kortex - der Gesichter- und Objekterkennung - tritt. Die meisten Auswirkungen des Lesenlernens auf den Kortex sind bei den Probanden, die eine normale Schulbildung durchlaufen haben, die gleichen wie bei den Probanden, die erst als Erwachsene das Lesen erlernt haben. Das Gehirn ist also plastisch genug, dass auch das Lesenlernen im Erwachsenenalter noch zu ähnlichen Ergebnissen führt wie in der gewöhnlichen Schulzeit.
Multisensorische Integration
Wie das Gehirn Sinnesreize verarbeitet
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Bielefeld in Kooperation mit französischen Forschern haben erforscht, in welchen Bereichen des Gehirns Sinnesreize flexibel integriert werden. Dazu haben sie drei mögliche Modelle getestet:
- Getrennte Verarbeitung: Verschiedene Sinnesreize werden komplett getrennt verarbeitet.
- Automatische Kombination: Verschiedene Sinnesreize werden automatisch kombiniert.
- Kausale Inferenz: Verschiedene Sinnesreize werden nur dann kombiniert, wenn sie nicht räumlich oder zeitlich voneinander entfernt sind.
Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die drei Modelle jeweils zu unterschiedlichen Bereichen des Gehirns und damit auch zu unterschiedlichen Stufen der Verarbeitung passen. Auf der niedrigsten Stufe werden die Informationen getrennt in der Seh- und der Hörrinde abgebildet. Danach werden sie im Parietallappen automatisch kombiniert. Erst auf einer höheren Verarbeitungsstufe liest das Gehirn die Informationen aus den vorherigen Stufen aus und filtert bei Bedarf störende Sinnesreize. Diese Flexibilität in der Wahrnehmung wird in speziellen Arealen des Frontallappens verortet, die für abstraktere Denkprozesse zuständig sind.
Die Ergebnisse der Studie können in verschiedenen weiteren Forschungsbereichen genutzt werden. Sie sind zum Beispiel hilfreich für die Erforschung des abstrakten Denkens, für technische Anwendungen bei der Interaktion zwischen Mensch und Maschine und im klinischen Kontext zum besseren Verständnis von Krankheiten wie Autismus.
Neurodegenerative Erkrankungen
Alzheimer: Ursachen, Forschung und Therapieansätze
Alzheimer ist die häufigste Form von Demenz und eine der größten Herausforderungen für die medizinische Forschung. Trotz intensiver Bemühungen gibt es bis heute keine überzeugende Therapie, die die Krankheit aufhalten oder rückgängig machen könnte.
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Eine dominierende Hypothese zur Entstehung von Alzheimer besagt, dass Fragmente von Amyloid-Beta verklumpen, sich zwischen den Nervenzellen ablagern und dort Plaques bilden, die zum Abbau geistiger Fähigkeiten führen. Ein weiterer Faktor sollen verdrehte längliche Fasern eines anderen Proteins namens Tau sein. Auch wenn die Plaques in Gehirnen von Alzheimer-Kranken nachgewiesen wurden, so sind die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Prozessen bis heute nicht richtig verstanden.
Wissenschaftsskandal um gefälschte Alzheimer-Forschung
Ein Wissenschaftsskandal um den französischen Biochemiker Sylvain Lesné hat die Alzheimer-Forschung erheblich zurückgeworfen. Lesné soll mehrere Studien zur Entstehung von Alzheimer gefälscht haben, insbesondere eine als bahnbrechend geltende Publikation im Fachmagazin „Nature“ aus dem Jahr 2006. Im Fokus der Vorwürfe steht ein Molekül namens Abeta*56, von dem Lesné behauptete, es verursache bei Ratten Demenz. Die Ergebnisse der „Science“-Recherche werfen Fragen auf, wie zuverlässig die „Peer Review“-Praxis ist, wie gut Kontrollmechanismen in der Forschung funktionieren und ob es in der Wissenschaftsgemeinde generell Hemmungen gibt, die Arbeiten von Kolleginnen und Kollegen offen in Frage zu stellen.
Aktuelle Therapieansätze und Präventionsmaßnahmen
Heilen lässt sich Alzheimer trotz intensiver Forschung bis heute nicht. Es gibt kein Medikament, das die Veränderungen im Gehirn aufhalten oder rückgängig machen könnte. Bei manchen Menschen lassen sich mit Mitteln aus der Gruppe der Antidementiva und Antidepressiva sowie mit nicht-medikamentösen Therapien aber die Abbauprozesse zumindest etwas verzögern und die Symptome mildern. Vorbeugen kann man in gewissem Maße, indem man vor allem den Geist stetig fordert, soziale Kontakte pflegt und sich auch ausreichend bewegt. Das größte Risiko stellt das Alter dar, auch der Lebensstil nimmt Einfluss. Nach heutigem Stand sind höchstens fünf Prozent der Alzheimer-Erkrankungen erblich bedingt.
Ehrung für Forschung über die grundlegenden Mechanismen der Alzheimer-Erkrankung
Der Molekularbiologe Christian Haass erhält für seine Forschung über die grundlegenden Mechanismen der Alzheimer-Erkrankung den mit 100.000 Euro dotierten „Grand Prix Européen 2024“ der „Fondation Recherche Alzheimer“. Mit seinen Studien zu den sogenannten Beta-Amyloid-Proteinen, die sich im Zuge einer Alzheimer-Erkrankung im Gehirn ablagern, ebnete er den Weg für neuartige Therapieverfahren, die nun in die Anwendungen gelangen. Wichtige wissenschaftliche Beiträge leistete er überdies hinsichtlich der Immunzellen des Gehirns.
Vaskuläre Läsionen im Gehirn als Ursache für Demenz
Neben der Alzheimer-Krankheit sind Veränderungen am Gefäßsystem des Gehirns die häufigste Ursache für Demenzen. Sie sind bei älteren Menschen sehr häufig und hängen zum Beispiel mit langsamerem Denken im Alltag zusammen. Frauke Beyer vom Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften (MPI CBS) in Leipzig, Deutschland, und Stephanie Debette von der Universität Bordeaux in Frankreich haben anhand der Daten von über 2800 Studienteilnehmer im Alter von über 65 Jahren untersucht, wo solche Läsionen im Gehirn auftreten, welche Faktoren ihr Auftreten begünstigen und wie sie mit Schlaganfall und Demenz zusammenhängen.
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Aktuell gibt es keine Therapie für diese Läsionen, obwohl sie ein großer Risikofaktor für Schlaganfall und Demenz sind. Die Forscherinnen haben herausgefunden, dass Läsionen an typischen Orten im Gehirn auftreten, vermutlich weil ihnen unterschiedliche Mechanismen zugrunde liegen. Bei Läsionen um die Ventrikel herum spielt besonders Bluthochdruck eine Rolle, und bei Läsionen in der tiefen weißen Substanz vermuten die Forscherinnen einen Zusammenhang mit der Ablagerung von Amyloid in den Gefäßwänden, einem auch bei Alzheimer auftretenden Protein. Da diese Läsionen schon ab dem vierzigsten Lebensjahr sichtbar werden können, könnte man hier präventiv mehr tun. Bluthochdruck ist der konsistenteste und bei weitem stärkste Risikofaktor für die Entstehung der Läsionen, ebenso ein höherer BMI.
Parkinson: Neue Medikamente und Behandlungsansätze
Parkinson ist nach Alzheimer die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung in Deutschland, rund 400.000 Menschen sind hierzulande betroffen. Parkinson lässt sich mit Medikamenten behandeln - allerdings verlieren die Mittel mit der Zeit an Wirkung. An neuen Medikamenten gegen Parkinson wird intensiv geforscht.
Gerade ist eine französische Studie zu einem Wirkstoff zur Diabetes-Behandlung erschienen, der möglicherweise auch bei Parkinson hilft. An der Studie nahmen 156 Probandinnen und Probanden mit leichtem bis mittelschwerem Parkinson teil. Die Hälfte bekam das Diabetesmittel, die anderen nur ein Placebo. Alle schluckten außerdem weiter ihre Standardmedikamente. Nach einem Jahr hatte sich die Parkinson-Erkrankung in der Placebogruppe verschlechtert.
Parkinson entsteht durch einen Mangel an Dopamin im Gehirn - immer mehr Nervenzellen, die den wichtigen Botenstoff produzieren, sterben ab. Das führt zu Muskelzittern und hemmt die Beweglichkeit. Was Parkinson verursacht, ist noch nicht vollständig verstanden. Es wird vermutet, dass es eine Kombination aus genetischen, Umwelt- und Lebensstilfaktoren ist, die zu Parkinson führt. Noch ist offen, wie sich der positive Effekt bei Parkinson erklären lässt. Möglicherweise liegt es daran, dass der Wirkstoff Entzündungen bekämpft.
Ende vergangenen Jahres gab es aufsehenerregende Ergebnisse: Ein französischer Parkinson-Patient kann jetzt dank einer neuartigen Neuroprothese zum ersten Mal seit Jahren wieder weitgehend normal laufen. Eine Chirurgin in Lausanne hat dem Mann mehrere kleine Pulsgeber direkt am Rückenmark implantiert. Und zwar genau an den Stellen, an denen die Nervensignale für die Beinbewegungen abgehen. Das Problem sind die Informationen, die aus dem Gehirn Richtung Beine losgesendet werden. Genau hier hat das Forschungsteam angesetzt und diese Information durch elektrische Signale korrigiert.
Die neue Behandlungsleitlinie betont unter anderem, dass es neben dem Zittern und den Bewegungsstörungen weitere häufige Probleme bei Parkinson gibt, die aber oft übersehen werden. Dazu gehören niedriger Blutdruck, Verstopfung, Schwierigkeiten mit der Blase und Sprach- oder Schluckstörungen. Ganz wichtig ist, dass Parkinson sich auch mit Bewegung und Ernährung positiv beeinflussen lässt. Mehrere Studien haben gezeigt, dass Ausdauersport dem Abbau von körperlichen und geistigen Fähigkeiten bei Menschen mit Parkinson entgegenwirkt. Wer an Parkinson leidet, könnte auch von spezieller Physiotherapie und kognitiven Übungen profitieren.
Phasen der neuronalen Vernetzung im Laufe des Lebens
Die Entwicklung des Gehirns von der Kindheit bis ins hohe Alter
Neurowissenschaftler der Universität Cambridge haben fünf wichtige Phasen der neuronalen Vernetzung im Laufe eines Menschenlebens identifiziert. Ende einer Phase und Beginn einer neuen Phase sind gekennzeichnet durch vier wichtige Wendepunkte, in denen die Entwicklung rasante Kurven nimmt und das Gehirn seine Strategie ändert, um sich neu zu konfigurieren.
Für seine Untersuchung verglich das Forschungsteam die Gehirne von 3802 Menschen im Alter zwischen null und 90 Jahren. Grundlage waren MRT-Diffusionsscans: Sie bilden die neuronalen Verbindungen ab, indem sie die Bewegung von Wassermolekülen durch das Gehirngewebe verfolgen. Die (Hirn-)Entwicklung vom Säugling bis zum Kind ist für Außenstehende am verblüffendsten. Das Gehirn lernt so viele neue Dinge wie nie im weiteren Leben. Das Gehirn eines Babys produziert übermäßig Synapsen, also Verbindungen zwischen den Neuronen. In der Kindheit wird diese Fülle reduziert, und nur die aktiveren Synapsen bleiben übrig. Benachbarte Regionen vernetzen sich enger und spezialisieren sich.
Der erste Wendepunkt der Entwicklung findet im Durchschnitt um das neunte Lebensjahr statt. Das Volumen der weißen Substanz wächst weiter, und die Organisation der Kommunikationsnetzwerke verfeinert sich zunehmend. Neu in dieser Phase ist, dass das Gehirn die Pfadlänge der Verbindungen optimiert. Dadurch arbeitet das Gehirn in dieser Phase insgesamt zunehmend effizienter. Nun verbessert sich auch wieder die Kommunikation über weite Teile des Gehirns.
Diese zweite Phase der Hirnentwicklung erstreckt sich bis kurz nach dem 30. Geburtstag, also bis weit ins frühe Erwachsenenalter. Um das 30. Mit etwa 32 Jahren schaltet die neuronale Verdrahtung des Gehirns in den Erwachsenenmodus um. Dies ist die längste Phase, die über drei Jahrzehnte andauert. Im Vergleich zu früheren Phasen stabilisiert sich die Gehirnarchitektur.
Mit etwa 66 Jahren ist ein weiterer Wendepunkt erreicht. Die weiße Substanz wird zunehmend abgebaut, die topologischen Muster werden einfacher, und das Netzwerk wird ausgedünnt. Zugleich beobachteten die Forschenden eine weitere Zunahme der Trennung und Spezialisierung der einzelnen Regionen - das Gehirn arbeitet modularer.
Der letzte Wendepunkt wird im Alter von etwa 83 Jahren erreicht, die letzte Epoche der Gehirnstruktur beginnt. Dem Netzwerk fällt es zunehmend schwer, über weite Strecken effizient zu kommunizieren. In dieser Phase konnten die Forschenden das Lebensalter der Probanden am schlechtesten an der Gehirnentwicklung festmachen.
Personalisierte Gehirnmodelle
Die Zukunft der Hirnforschung
Die Gehirnforschung vollzieht gerade einen Perspektivwechsel: weg von der Beschreibung eines Durchschnittsgehirns hin zu individuellen Variationen. Katrin Amunts, Direktorin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) sowie Direktorin des Cécile und Oskar Vogt-Instituts für Hirnforschung an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, betont die Bedeutung personalisierter Gehirnmodelle.
Es gibt verschiedene Arten von Gehirnmodellen - anatomische, biophysikalische, datengetriebene Modelle und andere. Einige Gehirnmodelle beschreiben die Vorgänge im Gehirn mathematisch, wie „The Virtual Brain“, das virtuelle Gehirn. Es wurde im Human Brain Project maßgeblich von Viktor Jirsa und seinem Team aus Marseille entwickelt und ermöglicht, bestimmte Prozesse im Gehirn zu simulieren. Es erlaubt, Parameter zu ändern; das virtuelle Gehirn lässt sich also personalisieren. Dazu fließen Befunde ein, etwa MRT-Bilder des Patienten, dessen elektrische Gehirnaktivitäten und Informationen über die Verbindungsstruktur. Das wird ergänzt durch Daten aus Hirnatlanten, die grundlegende Parameter wie Zelldichten liefern. Am Ende haben wir ein personalisiertes Modell mit spezifischen Patientendaten. Das zu erreichen, war ein großer Fortschritt.
In Frankreich wird gerade eine klinische Studie zu Epilepsie abgeschlossen, in der personalisierte Gehirnmodelle eingesetzt werden, um individuell zu berechnen, an welcher Stelle wie viel Gewebe entnommen werden muss, um die Krampfanfälle zu stoppen, ohne Schäden zu verursachen.
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