Das Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das selbst in Ruhephasen eine bemerkenswerte Aktivität aufweist. Diese Aktivität im Ruhezustand, auch als Resting-State-Aktivität bezeichnet, hat in den letzten Jahren zunehmend die Aufmerksamkeit von Neurowissenschaftlern auf sich gezogen. Sie bietet wertvolle Einblicke in die Funktionsweise des Gehirns und seine Organisation.
Einführung in die Bildgebung im Ruhezustand
Um die Aktivität des Gehirns im Ruhezustand zu untersuchen, werden bildgebende Verfahren eingesetzt. Diese Verfahren ermöglichen es, von außen in den Körper zu blicken und Abbildungen des Gehirns zu erhalten. Zu den gängigsten bildgebenden Verfahren gehören die Computertomographie (CT) und die Magnetresonanztomographie (MRT).
Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist eine spezielle Variante der MRT, die Veränderungen im sauerstoffreichen Blut betrachtet. Sie ermöglicht es, die Aktivität verschiedener Hirnareale über einen bestimmten Zeitraum hinweg zu messen. Die fMRT ist neben Methoden wie dem Elektroenzephalogramm (EEG) oder dem Positronenemissionstomographie (PET)-Scan das zentrale Werkzeug der kognitiven Neurowissenschaften.
Das Default Mode Network (DMN)
Ein besonders wichtiges und gut untersuchtes Ruhezustands-Netzwerk ist das Default Mode Network (DMN). Dieses Netzwerk wurde erstmals von Gordon Shulman und seinem Team beschrieben. Sie stellten fest, dass die Areale des DMN während zielgerichteter kognitiver Aufgaben ihre Aktivität verringerten.
Das DMN erstreckt sich über weite Teile der Hirnrinde und umfasst Areale auf dem Parietal-, Temporal- und Frontallappen. Interessanterweise liegen die Areale des DMN stets abseits von den Hirnarealen, die mit direkten sensorischen Eindrücken beschäftigt sind.
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Funktionen des DMN
Die Funktionen des DMN sind vielfältig und komplex. Es wird vermutet, dass das DMN eine Rolle bei selbst-referentiellen Gedanken spielt. Dies würde uns einen Anhaltspunkt dafür geben, wie ein so komplexer gedanklicher Prozess wie das Nachdenken über uns selbst in unserem Gehirn funktionieren könnte.
Ein australisches Team um den kognitiven Neurowissenschaftler Christopher Davey untersuchte diese Hypothese genauer. Sie verglichen die fMRT-Aktivität im Ruhezustand mit der Aktivität, die auftrat, wenn man die Teilnehmenden bat, Aufgaben zu erfüllen, die zu selbst-referentiellem Nachdenken anregen sollten. Es zeigte sich, dass wichtige Kernregionen des DMN nicht nur im Ruhezustand aktiv sind, sondern während selbst-referentiellen Aufgaben ihre Aktivität sogar noch weiter erhöhen.
Auf Basis dieser Ergebnisse gehen die Forschenden um Professor Davey davon aus, dass es sich bei dem DMN um ein Hirnsystem handeln könnte, welches es uns erlaubt, uns bewusst selbst wahrzunehmen.
Das DMN und neurologische Erkrankungen
Veränderungen in der Aktivität des DMN können sich auf verschiedene Weise auswirken. Daher stellt sich die Frage, wie sich verringerte oder erhöhte Aktivität im DMN auf uns auswirken könnte. Um diese Frage zu beantworten, kann man sich beispielsweise Krankheiten ansehen, die sich auf die DMN-Aktivität auswirken.
So ist die Aktivität im DMN bei Betroffenen der Alzheimer-Demenz gestört. Die Verbindungen zwischen den verschiedenen DMN-Arealen werden schlechter. Dies könnte uns dabei helfen, die Alzheimer Demenz besser zu verstehen und zu erklären, wie sich die Erkrankung auf die Selbst-wahrnehmung der Betroffenen auswirkt.
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Eine weitere Krankheit, bei welcher das DMN gestört wird, ist die Schizophrenie. Bei diesem Störungsbild ist jedoch noch unklar, wie genau der Effekt auf das DMN aussieht. Einige Studien finden eine Erhöhung der Aktivität, während andere verringerte Aktivität im Vergleich zu gesunden Teilnehmenden finden. Klar ist jedoch, dass auch diese Erkrankung sich auf die Stärke der Verbindungen zwischen den DMN-Arealen und vom DMN zu anderen Netzwerken auswirkt.
Auch bei Depressionen, der bipolaren Störung und der Parkinson’schen Erkrankung wurde bereits diskutiert, inwiefern das DMN in Mitleidenschaft gezogen wird.
Substanzen und das DMN
Neben neuropsychiatrischen Erkrankungen gibt es auch Substanzen, die eine starke Wirkung auf das DMN haben. Allen voran wären hier die klassischen Psychedelika, wie LSD, DMT oder das in vielen Pilzen vorhandene Psilocybin zu nennen. Diese Drogen können während der Dauer ihrer Wirkung die Aktivität im DMN verändern.
Spezifisch verringern die Psychedelika die Stärke von Verbindungen innerhalb des Netzwerks, während die Verknüpfungen der DMN-Areale zu anderen Hirnarealen und Hirnnetzwerken vorrübergehend gestärkt werden. Viele Forschende vermuten, dass dieser Effekt zentral für die therapeutischen Wirkungen dieser Substanzen sein könnte.
Atmung und Gehirnaktivität im Ruhezustand
Jüngste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Atmung eine wichtige Rolle bei der Koordination und Synchronisierung der Gehirnaktivität im Ruhezustand spielt. LMU-Wissenschaftler haben gezeigt, dass die Atmung Prozesse im Gehirn koordiniert, die für die Abspeicherung von Informationen während Schlaf und Ruhe wichtig sind.
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Die Atmung ist der beständigste und wichtigste Körperrhythmus und übt eine starke physiologische Wirkung auf das autonome Nervensystem aus. Es ist bekannt, dass sie ein breites Spektrum kognitiver Funktionen wie Wahrnehmung, Aufmerksamkeit und Denkstrukturen moduliert.
Die Wissenschaftler führten im Mausmodell groß angelegte elektrophysiologische In-vivo-Untersuchungen von Tausenden Neuronen im gesamten limbischen System durch. Dabei fanden sie, dass die Atmung die neuronale Aktivität in allen untersuchten Hirnregionen - Hippocampus, Kortex, Thalamus, Amygdala und Nucleus accumbens - synchronisiert und koordiniert, indem sie die Erregbarkeit dieser neuronalen Schaltkreise unabhängig vom Geruchssinn moduliert.
Die Ergebnisse belegen die Existenz einer bisher unbekannten Verbindung zwischen den respiratorischen und limbischen Schaltkreisen und bedeuten eine Abkehr von der üblichen Annahme, dass die Atmung die Hirnaktivität über olfaktorische Inputs moduliert.
Ruhenetzwerke und ihre Bedeutung
Verschiedene Regionen im Gehirn kommunizieren selbst dann miteinander, wenn wir stillliegen und an nichts Besonderes denken. Selbst wenn Probanden nur still im Scanner liegen, lässt sich zwischen bestimmten Hirnregionen Kommunikation nachweisen: Ihre spontane Aktivität schwankt über einen bestimmten Zeitraum in ähnlicher Weise.
Netzwerke, die im Ruhezustand gefunden werden, decken sich häufig mit den Regionen, die bei bestimmten Aufgaben gemeinsam aktiv werden. Bekannt sind etwa visuelle, motorische oder Aufmerksamkeits-Ruhenetzwerke.
Es gibt mittlerweile erste Studien, die näher an die einzelnen Nervenzellen herangehen und den fMRT-Ergebnissen elektrophysiologische Messungen gegenüberstellen. Dabei messen die Wissenschaftler Ströme im Hirn ihrer Probanden, sei es über den methodisch jüngeren Umweg der magnetischen Felder, mit Elektroden an der Schädeloberfläche oder bei Versuchstieren auch im Gehirn selbst. Diese Methoden liefern ein deutlich direkteres Maß für das, was in den Nervenzellen vorgeht, als die von Blutfluss und Sauerstoffzufuhr abhängigen fMRT-Werte.
Unklar bleibt trotzdem, ob die statistisch ermittelten Verknüpfungen eines Ruhenetzwerks einen echten Informationsfluss abbilden. Es kann sein, dass die Verknüpfungen innerhalb eines Ruhenetzwerks nur Ausdruck eines Synchronisationsmodus sind, „in dem Regionen, die viel zusammenarbeiten, sich einen Takt setzen, der keinen Inhalt hätte.“
Andere Forscher gestehen den Ruhenetzwerken mehr Aussagekraft zu. Gerhard Roth hat einmal formuliert, dass das Gehirn überwiegend mit sich selbst beschäftigt sei. Im visuellen System zum Beispiel entstammen unter zehn Prozent der Aktivität der Retina, der Rest entfällt auf interne Verarbeitung. Entsprechend vermutet Andreas Engel vom Universitätsklinikum Eppendorf in Hamburg, dass Ruhenetzwerke eher die eigenen, inneren Zustände des Gehirns abbilden.
Lernprozesse, die sich in Ruhenetzwerken wiederspiegeln, können durchaus auch kurzfristiger Natur sein: In einer Studie von Arielle Tambini von der Universität New York und Kollegen von 2010 korrelierten stärkere funktionale Verknüpfungen zwischen Hippocampus und Cortex mit einer besseren Erinnerung an zuvor gelernte Bild-Paare.
Abschalten und die Rolle der Ruhe
Urlaub und einfach mal abschalten! Interessanterweise gelingt dies vielen Menschen nicht so gut, wie erhofft. Resting State (Ruhezustand) zeigen, dass unser Gehirn auch in Ruhephasen hochaktiv ist. Die Aktivierungsmuster ähneln dabei denen, die auch während sogenannter Task States zu finden sind, also in Zuständen, in denen wir mit der Lösung von Aufgaben beschäftigt sind, wie etwa bei der Arbeit. Viele Teile unseres Gehirns unterscheiden also nicht zwischen Ruhe und Aktivität. Kein Wunder, dass das Abschalten manchmal schwer fällt.
In einem Würfelmodell schlug der schottische Neurowissenschaftler Jonathan Smallwood vor, Gedanken während des Ruhezustandes in sechs Dimensionen einzuordnen, in den Spektren „negativ bis positiv”, „rückwärtsgerichtet bis zukunftsorientiert” und „selbstbezogen bis fremdbezogen”. Indem die Forscher/innen Gedanken während der Ruhephasen in Verbindung damit brachten, was Proband/innen retrospektiv über ihre Ruhe berichteten, konnten sie diese verschiedenen Dimensionen im Gehirn lokalisieren. So konnten Schritt für Schritt verschiedene Komponenten der sogenannten Ruhe identifiziert werden.
In weiteren Experimenten stellte man fest, dass vorwärts gerichtetes Denken in den Ruhephasen oft planerisches Denken beinhaltet und insbesondere von Individuen ausgeführt wird, die hohe mentale Kapazitäten besitzen. Auch die Dimension „selbstbezogen bis fremdbezogen“ schien Alltagsrelevanz zu besitzen. Menschen mit Depressionen sind dafür bekannt, sich eher auf sich selbst und ihre Probleme zu fokussieren, statt Pläne für die Zukunft zu schmieden oder auf die Sorgen und Nöte anderer Menschen einzugehen. Dies scheint sich auch im Ruhezustand niederzuschlagen.
Es begann sich daher die Erkenntnis durchzusetzen, dass der scheinbar so eigenständige Ruhezustand sehr viel mehr mit unserem Alltag zu tun hat, als man dachte. Das Gehirn kalibriert sich in der Ruhe nicht komplett neu, es scheint oft in alten Schleifen zu verbleiben.
Wie also soll das Abschalten funktionieren, wenn das Gehirn die Tendenz hat, in der Ruhe in ähnlichen Gedankenschleifen zu verbleiben wie während der Arbeit? Wie soll man den Alltag dann hinter sich lassen? Die Neurowissenschaft scheint nahezulegen: Der Versuch, abends auf der Couch von jetzt auf gleich abzuschalten und den Gedanken Ruhe zu gönnen, ist oft zum Scheitern verurteilt. Die oben zitierten Studien zeigen, dass es enge Verbindungen zwischen den neuronalen Schaltkreisen gibt, die sich während der Ruhe und während der Aktivitätsphasen anschalten. Hat man den ganzen Tag die Mathematik-Schaltkreise aktiviert, wird sich daran mit großer Wahrscheinlichkeit auch abends auf der Couch nichts ändern.
Was also tun? Die Forschung legt nahe, dass es sich lohnt, auch schon während der sogenannten Tätigkeitsphasen andere Schaltkreise in Bewegung zu bringen als bei der Arbeit. Bei dem Erlernen einer neuen Sportart zum Beispiel werden andere neuronale Netzwerke gefordert als beim Lösen einer Mathematikaufgabe.
Schlussfolgerung
Die Erforschung der Gehirnaktivität im Ruhezustand hat unser Verständnis der Funktionsweise des Gehirns revolutioniert. Das DMN und andere Ruhenetzwerke spielen eine wichtige Rolle bei verschiedenen kognitiven Prozessen, von selbst-referentiellem Denken bis hin zur Vorbereitung auf zukünftige Ereignisse. Veränderungen in der Aktivität dieser Netzwerke können auf neurologische Erkrankungen hinweisen und durch Substanzen beeinflusst werden.
Die Forschung auf diesem Gebiet ist noch lange nicht abgeschlossen, und es gibt noch viele offene Fragen zu beantworten. Dennoch hat die Erforschung der Gehirnaktivität im Ruhezustand bereits jetzt wertvolle Einblicke in die Funktionsweise unseres Gehirns geliefert und das Potenzial, neue Behandlungsansätze für neurologische und psychische Erkrankungen zu entwickeln.