Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes und komplexes Organ, dessen vollständiges Verständnis eines der größten Ziele der modernen Wissenschaft darstellt. Die Hirnforschung hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht, die unser Wissen über die Funktionsweise des Gehirns, seine Entwicklung und seine Rolle bei der Entstehung von Verhalten und Kognition erheblich erweitert haben. Dieser Artikel beleuchtet einige aktuelle Forschungsansätze und Erkenntnisse, die dazu beitragen, die Geheimnisse des Gehirns zu entschlüsseln.
Prädiktive Kodierung: Das Gehirn als Vorhersagemaschine
Eine der zentralen Aufgaben des Gehirns ist die sogenannte prädiktive Kodierung. Das Gehirn ist ständig damit beschäftigt, vorherzusagen, was als Nächstes passiert. Es analysiert kontinuierlich Informationen aus der Umwelt und dem eigenen Körper, um Erwartungen zu bilden und adaptives Verhalten zu ermöglichen.
In einer richtungsweisenden Studie haben Dr. Patrick Krauss und Dr. Achim Schilling die Spontanaktivität des menschlichen Gehirns analysiert. Sie nutzten Auto-Encoder, eine fortschrittliche Form künstlicher Intelligenz, um Muster und Verbindungen in den komplexen Datenmengen zu erkennen, die das Gehirn erzeugt. Die beiden Physiker und Neurowissenschaftler haben in Zusammenarbeit mit Forschern vom Epilepsie-Zentrum des Uniklinikums Erlangen (Sprecher: Prof. Dr. med. Hajo Hamer) eine Entdeckung gemacht, die zu zukunftsweisenden Ergebnissen geführt hat: Bestimmte spontane Aktivitäten in unserem Gehirn, die sogenannten lokalen Feldpotenziale (LFPs), könnten entscheidende Hinweise darauf geben, wie unser Gehirn arbeitet.
„In unserer Studie haben wir festgestellt, dass unser Gehirn ständig aktive Zustände durchläuft, die durch diese LFPs definiert werden. Es ist, als ob das Gehirn ständig verschiedene Möglichkeiten durchspielt, was als Nächstes passieren könnte, auch wenn wir gerade nichts Bestimmtes tun oder wahrnehmen und keine äußeren Reize bekommen“, betont Dr. Patrick Krauss.
„Außerdem haben wir entdeckt, dass die Form dieser LFPs uns zeigen kann, in welche Richtung die Signale im Gehirn fließen. Dies könnte wichtige Einblicke geben, wie Gedanken und Empfindungen in unserem Kopf weitergeleitet werden“, ergänzt Dr. Achim Schilling.
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Diese Erkenntnisse eröffnen nicht nur neue Wege für die Forschung, sondern könnten auch zu besseren Diagnose- und Behandlungsmethoden für Gehirnerkrankungen führen. Die KI-Methoden lassen sich auch auf normale EEG- oder MEG-Messungen anwenden, bei denen Elektroden auf der Kopfoberfläche die Aktivität des Gehirns messen. „Das Wissen darüber, was das Gehirn normalerweise im Ruhezustand macht, lässt sich für diagnostische Zwecke nutzbar machen. Wenn wir immer besser verstehen, wie das Gehirn funktioniert und normalerweise arbeitet, führt das zu zielgenaueren Diagnose- und Behandlungsmethoden bei neurologischen Erkrankungen“, unterstreicht Dr. Achim Schilling.
Die Studienergebnisse der beiden FAU-Wissenschaftler können auch dazu beitragen, die KI selbst weiterzuentwickeln. Das langfristige Ziel ist eine neurowissenschaftlich inspirierte KI, die ebenfalls in der Lage ist, kontinuierlich Vorhersagen zu treffen, auch wenn sie gerade keinen Input verarbeiten muss. „Gerade bei KI-Systemen, die in Fahrzeugen verbaut sind, kann das beispielsweise in puncto Sicherheit viel Sinn machen“, so Dr. Achim Schilling.
Die Studie von Dr. Patrick Krauss und Dr. Achim Schilling zeigt damit, dass die synergetische Verbindung zwischen KI und Hirnforschung die Grenzen dessen, was über kognitive Prozesse und Gehirnfunktionen bekannt ist, erweitern und letztendlich zu innovativen neuen Ansätzen in der medizinischen Diagnose und Therapie führen kann. Die fortschreitende Verschmelzung von Technologie und Hirnforschung verdeutlicht zudem, wie entscheidend interdisziplinäre Ansätze für die Entschlüsselung der komplexesten Systeme der Natur sind.
Psyche und Gehirn: Eine untrennbare Einheit
Wie hängen Psyche und Gehirn zusammen? „Unser Gehirn ist ein Wunderwerk, das hyperkomplex ist“, sagt der Hirnforscher Gerhard Roth, „all das, was wir sind und erleben, wird in unserem Gehirn produziert.“ Das Gehirn sei „unser großer Inszenator: Freude, Angst, alles wird in unserem Gehirn erzeugt. Seit rund fünf Jahrzehnten erforscht der Professor für Verhaltensphysiologie und Entwicklungsneurobiologie an der Universität Bremen, wie diese Schaltzentrale funktioniert - und wie sie unser Verhalten und unsere Psyche beeinflusst. "Wie ein Mensch sich psychisch entwickelt, das ist von einer verwirrenden Vielfalt. Das geht schon vor der Geburt los - immer im Wechselspiel zwischen individuellen Genen und der ganz individuellen Umwelt. Jeder Mensch ist psychisch einmalig. Den heute 72-Jährigen interessieren auch die großen Rätsel der Hirnforschung: Man wisse mittlerweile sehr gut, wie das Gehirn funktioniert, dies komme zum Beispiel der Therapie von Hirntumoren oder Schlaganfällen zugute. „Aber wie unser Denken entsteht, unser Gedächtnis, unsere geistigen Zustände, das ist ein letzter Schlussstein in der Forschung. Auch die Frage, warum wir überhaupt Gefühle erleben.“ Diesen Fragen widmet er sich in seinem neuen Buch „Wie das Gehirn die Seele macht“, das er gemeinsam mit der Hirnforscherin Nicole Strüber geschrieben hat: "Es gibt einen ganz typischen Bereich, den man `limbisches System´ nennt - und der ist der Sitz der Seele im engeren Sinne.“ All das, was man seit Jahrhunderten mit dem Begriff der Seele in Verbindung bringe, sei im Hirn tief verankert. Und da ist dann noch die Frage des Alterns, die Angst vieler vor Demenz, vor Alzheimer, sie lässt auch ihn nicht unberührt. „Davor haben alle Angst, die halbwegs mit diesem Thema zu tun haben. Es gibt kein Medikament, aber man kann sich schützen.
Fortschrittliche Bildgebungstechniken enthüllen Gehirnstrukturen im Detail
Moderne Bildgebungstechniken wie die Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglichen es Forschern, das Gehirn mit hoher Auflösung und Detailgenauigkeit zu untersuchen. Das Cardiff University Brain Research Imaging Centre (CUBRIC) in Wales ist ein einzigartiges Forschungszentrum der Neuro-Bildgebung, das modernste Methoden einsetzt, darunter mikrostrukturelle Bildgebung, funktionelle MRT und Hirnstimulation. In dieser Einrichtung sollen ganz neue Erkenntnisse über die Ursachen neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen wie Demenz, Schizophrenie und multiple Sklerose sowie ein besseres Verständnis der Mechanismen im gesunden Gehirn gewonnen werden.
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Professor Derek Jones, Direktor des CUBRIC, betont: "Das Cardiff University Brain Research Imaging Centre ist in Europa einzigartig und weltweit allen Einrichtungen seiner Art ebenbürtig. Dies ist die spannendste Entwicklung, die in diesem Bereich in den letzten zehn Jahren gemacht wurde, und läutet eine neue Phase der Neuro-Bildgebung ein. Die Technologie erlaubt es uns, ein viel besseres Bild vom Aufbau des Gehirns zu gewinnen, einschließlich detaillierter Messungen der Faserbündel, die die verschiedenen Teile des Gehirns miteinander verbinden.
Dr. Bernd Montag, CEO Siemens Healthineers, sagt: "CUBRIC verfügt über eine Reihe führender Experten auf ihrem Gebiet, kombiniert mit der weltweit leistungsstärksten Bildgebungstechnologie - damit hat es eine ausgezeichnete Chance, bahnbrechende Fortschritte zu erreichen, die die Art und Weise verändern können, in der wir neurologische Erkrankungen verstehen und behandeln.
Eines der vier genutzten MRT-Systeme, das Magnetom Skyra Connectom 3T1, ist derzeit das einzige seiner Art in Europa. Mit Hilfe dieser fortschrittlichen Technologie können Wissenschaftler Strukturen im Mikrometerbereich untersuchen - also im Bereich eines Tausendstel Millimeters. Das System ist mit 300-mT/m-Gradientenspulen ausgestattet, die mehr als sechsmal so leistungsstark sind wie die Spulen in konventionellen MR-Systemen.
Das CUBRIC verfügt zudem über ein Magnetom 7T1, das eine extrem hohe räumliche Auflösung sowie eine mehr als doppelt so hohe Feldstärke im Vergleich mit den meisten MR-Scannern aufweist. Mit Hilfe dieser Technologie kann das Zentrum bisher nie gesehene Gehirnstrukturen mit perfektem Kontrast untersuchen, um geringfügige Unterschiede in Gehirnstruktur und Gehirnfunktion bei neurologischen und psychiatrischen Störungen zu analysieren.
Die Herausforderungen der Neurowissenschaften: Ein konzeptuelles Chaos?
Die Neurowissenschaftlerin Dr. Sarah Genon, die am Forschungszentrum Jülich und Uniklinikum Düsseldorf forscht, spricht gar von einem „konzeptuellen Chaos“. Im europäischen Human Brain Project leitet sie das Teilprojekt „Multimodaler Vergleich von Gehirnkarten“. Gemeinsam mit Prof. Simon Eickhoff vom Forschungszentrum Jülich und Universitätsklinikum Düsseldorf schlägt sie einen neuen Ansatz vor, der es ermöglichen könnte, große Datensätze zu erschließen und die Forschung auf lange Sicht ein gutes Stück voranzubringen.
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Auf die Frage nach den Problemen in der Neurowissenschaft antwortet sie: "Eine große Frage ist immer noch offen: Was macht das Gehirn und wie tut es das? Einige Forscher-Communitys untersuchen die Struktur des Gehirns. Nach mehr als einem Jahrhundert Arbeit an der Charakterisierung der Gehirnanatomie gibt es überzeugende Beweise dafür, dass die verschiedenen Regionen verschiedene Mikroarchitekturen haben und in Netzwerken organisiert sind. Entsprechend wird allgemein angenommen, dass Hirnregionen relativ spezialisierte Funktionen haben, aber auch zusammen arbeiten und Informationen austauschen. Also ist die nächste Frage: Wie wirkt sich das auf das menschliche Verhalten aus? Das wird in vielen verschiedenen Feldern untersucht, vor allem in den psychologischen Fachrichtungen. Durch Beobachtung und Untersuchung menschlichen Verhaltens sind mehrere Theorien und Konzepte entwickelt worden, wie etwa das phonologische Lexikon, Erinnerungsvermögen oder auch die „Theory of Mind“. Entsprechend haben Neurowissenschaftler und Ärzte in den letzten Jahrzehnten versucht, diese Konzepte auf Hirnregionen und Netzwerke zu beziehen - aber es hat sich noch kein klares Bild ergeben. Anders formuliert, Verhaltenskonzepte lassen sich nicht Hirnregionen und Netzwerken zuordnen. Ein Grund dafür ist, dass zwischen Hirndaten und Verhaltensdaten eine konzeptionelle Lücke besteht. Ein Beispiel: Selbst wenn wir den Hippocampus, einen Teil des Gehirns, mit Verhaltenskonzepten wie „Erinnerungsvermögen“ oder „Vorstellungsvermögen“ und „Planungsfähigkeit“ in Beziehung setzen, ist das nicht das, was der Hippocampus macht. Mit anderen Worten, diese Konzepte geben - vor allem isoliert betrachtet - keine Auskunft über die Funktion eines Teils des Gehirns."
Dr. Genon schlägt einen neuen Ansatz vor, der Ordnung ins Chaos bringen soll: "Zunächst müssen wir so viele Informationen wie möglich sammeln. Bisher wurden vor allem einzelne Bildgebungs-Experimente durchgeführt, in denen sich zum Beispiel eine Aktivierung des Hippocampus beim Abrufen einer Erinnerung beobachten ließ. Mittlerweile haben wir eine große Auswahl solcher Experimente. Das bedeutet, dass wir statistische Ansätze verfolgen können und damit die Bandbreite von Verhaltensfunktionen identifizieren können, bei denen eine Aktivierung des Hippocampus festgestellt wurde. Zum Beispiel können wir feststellen, dass der Hippocampus neben Gedächtnisfunktionen auch bei der Wahrnehmung und bei Gefühlen eine Rolle spielt. Wir haben zudem große Datensätze von großen Bevölkerungsstichproben, darunter Daten aus der Neurobildgebung oder psychometrische Daten. Für eine bestimmte Hirnregion können wir so nach Korrelationen suchen zwischen Neurobildgebungs-Markern wie der grauen Hirnsubstanz und komplexen Verhaltenskonstrukten wie dem kreativen Denken. Das heißt: wir können verschiedene Verhaltensprofile von Hirnregionen und Netzwerken erstellen und so aus einer großen Sammlung von Gehirn-Verhalten-Daten auf das ganze Bild schließen. Jedoch ist dieses Verhaltens-Profiling nur der erste Schritt zu einer neuen Konzeptualisierung von Hirnfunktionen. Außerdem müssen wir diesen Daten latente Muster und Bedeutungen entziehen. Das kann nur durch statistische Lern-Ansätze und fachübergreifende theoretische Arbeit erreicht werden."
Sie wollen u.a. bestimmte “Kernfunktionen“ von Hirnregionen entschlüsseln. Auf die Frage, wie sich diese Kernfunktionen von traditionellen kognitiven Funktionen unterscheiden, antwortet sie: "Jeder Teil des Gehirns empfängt Input und sendet Output an andere Teile des Gehirns. Wir können uns das Gehirn wie einen Computer vorstellen, eine statistische Maschine oder ein informationsverarbeitendes System. Zum Beispiel müssen wir davon ausgehen, dass das Hirn Informationen kombiniert, um Wahrscheinlichkeiten zu berechnen und Vorhersagen zu treffen. Aus der Sicht des Gehirns sollten Funktionen als eine Art „Rechenoperation“ betrachtet werden, die auf einigen Repräsentationen oder Informationen beruht. Sprache, Gedächtnis oder Aufmerksamkeit dagegen sind in ihrem Kern menschliche - oder tierische - Funktionen. Dabei geht es um das menschliche Verhalten, das wir im täglichen Leben beobachten können. Im Gegensatz dazu können wir nicht direkt beobachten, welche Art von Funktionen das Gehirn durchführt."
Gedächtnis: Inhalt und Kontext in getrennten neuronalen Bibliotheken
Unser Gedächtnis speichert nicht nur Informationen über vergangene Ereignisse, sondern auch die Umstände, unter denen wir sie erlebt haben. Forschende haben jetzt aufgedeckt, dass unser Gehirn zwei unterschiedliche Gruppen von Neuronen nutzt, um Inhalt und Kontext getrennt voneinander zu speichern. Diese Nervenzellgruppen arbeiten dann koordiniert zusammen, um unsere Erinnerungen zu formen.
Um die Erinnerungen an ihn mit dem passenden Kontext zu versehen, müssen diese Konzept-Neuronen aber mit weiteren Hirnzellen und Hirnarealen zusammenarbeiten. „Doch wie Gedächtnisinhalt und Kontext beim Menschen auf der Ebene der Neuronen kombiniert werden, ist bislang unklar“, schreiben Mormann und sein Team. „Wir haben uns daher gefragt: Funktioniert das menschliche Gehirn hier grundlegend anders?“, sagt Erstautor Marcel Bausch von der Universität Bonn. „Bildet es Inhalt und Kontext getrennt ab, um ein flexibleres Gedächtnis zu ermöglichen? Und wie verbinden sich diese getrennten Informationen, wenn wir uns bestimmte Inhalte entsprechend dem Kontext merken müssen?“
Um diese Fragen zu klären, haben Bausch und seine Kollegen die Aktivität einzelner Neuronen im Gehirn von 16 Epilepsiepatienten analysiert. Ihnen wurden für eine bessere Diagnose und Operationsvorbereitung Elektroden im Hippocampus und umliegenden Hirnregionen implantiert - und damit in Regionen, die auch für das Gedächtnis essenziell sind. Dies nutzten die Forschenden, um die Hirnreaktionen beim Abspeichern und Aufrufen des episodischen Gedächtnisses genauer zu analysieren. Dafür wurden den Patienten auf einem Bildschirm Bildpaare gezeigt, die sie anhand unterschiedlicher Fragestellungen vergleichen mussten. „Dies erlaubte uns zu beobachten, wie das Gehirn exakt dasselbe Bild in unterschiedlichen Aufgabenkontexten verarbeitet“, sagt Mormann.
Bei der Auswertung der Daten von mehr als 3.000 einzelnen Neuronen zeigte sich: Während der Betrachtung der Bilder feuerten zwei weitgehend getrennte Neuronengruppen im Gehirn der Testpersonen. Eine Gruppe von Hirnzellen, Inhalts-Neurone getauft, feuerten als Reaktion auf spezifische Bilder unabhängig von der Aufgabe oder dem Kontext. Die zweite Gruppe der Kontext-Neuronen wurden dagegen in Reaktion auf spezifische Aufgabenkontexte aktiv - unabhängig vom gezeigten Bild oder Gegenstand. Wichtig auch: Im Unterschied zu Mäusen agierten diese Neuronen zunächst unabhängig voneinander.
Das Experiment zeigte aber auch, dass sich die Kooperation zwischen den Neuronengruppen im Verlauf des Experiments verstärkte. Wenn ein Inhalts-Neuron feuerte, reagierte einige Dutzend Millisekunden später auch das passende Kontext-Neuron. Dies sorgt offenbar dafür, dass nur der relevante Kontext, welcher zuvor aktiv war, abgerufen wird. „Diese Arbeitsteilung erklärt wahrscheinlich die Flexibilität des menschlichen Gedächtnisses. Denn das Gehirn kann dasselbe Konzept in unzählig vielen neuen Situationen wiederverwenden, ohne für jede einzelne Kombination ein spezialisiertes Neuron zu benötigen, indem es Inhalt und Kontext in getrennten „neuronalen Bibliotheken“ aufbewahrt“, sagt Bausch. Mormann ergänzt: „Die Fähigkeit dieser Nervenzellgruppen, sich spontan zu verknüpfen, erlaubt es uns, Informationen zu verallgemeinern und gleichzeitig die spezifischen Details individueller Ereignisse zu bewahren“.
Motivation: Die innere Bremse im Gehirn
Viele Menschen zögern unangenehme Aufgaben schier endlos hinaus. Forscher haben ergründet, warum das Gehirn manchmal nicht in der Lage scheint, den Startknopf zu drücken. Neurowissenschaftliche und psychologische Studien haben demnach gezeigt, dass das Gehirn vor jeder Handlung abwägt, wie viel Aufwand eine Aufgabe erfordern könnte. Wenn der Aufwand zu hoch erscheint, sinkt die Motivation. Unklar war bislang aber, wie das Gehirn diese Einschätzung in eine Entscheidung zum Nicht-Handeln umsetzt.
Das Forschungsteam hatte sogenannte Chemogenetik bei zwei männlichen Makaken genutzt, eine Methode zur Fernsteuerung ausgewählter Gehirnzellen. Dabei bekommen bestimmte Neuronen zunächst via Genübertragung einen künstlichen, als Schalter fungierenden Rezeptor verpasst. Über ein nur darauf wirkendes Medikament können so die Neuronen für kurze Zeit aktiviert oder deaktiviert werden. Die Affen wurden darauf trainiert, zwei Aufgaben auszuführen. Bei der einen erhielten sie für die Erfüllung eine Belohnung, bei der anderen war die Belohnung mit einem unangenehmen Luftstoß ins Gesicht verbunden. Vor jedem Versuch sahen die Affen ein Signal und konnten frei entscheiden, ob sie beginnen wollten oder nicht.
Wie erwartet begannen die Affen in der Regel ohne zu zögern, wenn die Aufgabe nur mit der Belohnung verbunden war. Im zweiten Testlauf schwächten die Forscher vorübergehend eine bestimmte Gehirnverbindung zwischen zwei an der Motivation beteiligten Regionen: dem ventralen Striatum (VS) und dem ventralen Pallidum (VP). Das ventrale Striatum ist an Belohnung, Motivation und Lernen beteiligt. Das ventrale Pallidum empfängt Signale vom ventralen Striatum und hilft, diese an andere Teile des Gehirns weiterzuleiten. Bei der Aufgabe, bei der es nur um die Belohnung ging, hatte das Hemmen des ventralen Striatum-Pallidum-Pfades kaum Auswirkungen auf das Verhalten der Affen.
Der VS-zu-VP-Pfad wirke als Motivationsbremse, die den inneren Startknopf insbesondere bei stressigen oder unangenehmen Aufgaben unterdrückt, schließen die Forschenden.
Künftig könnten Maßnahmen wie tiefe Hirnstimulation oder neue Medikamente darauf abzielen, diese Bremse zu beeinflussen, wenn sie zu stark wirkt, Betroffene also kaum etwas erledigt bekommen, hoffen die Forschenden. Sie betonen aber auch, dass die Bremse aus gutem Grund existiert. Ein zu starkes Dimmen der Motivationsbremse könnte zudem zu gefährlichem Verhalten oder übermäßiger Risikobereitschaft führen, ergänzte Amemori.
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