Die Hirnforschung hat seit den frühen Anfängen des 20. Jahrhunderts enorme Fortschritte gemacht. Eine zentrale Rolle spielte dabei die Kartierung des Gehirns, die uns hilft, die Funktionen der verschiedenen Hirnareale zu verstehen. Eine Methode, die lange Zeit als Standard galt, ist die Gehirnkarte von Korbinian Brodmann aus dem Jahr 1909. Obwohl sie in keinem Buch über das menschliche Gehirn fehlt und selbst von Wissenschaftlern und Ärzten noch zur Orientierung genutzt wird, ist sie stark veraltet. Dieser Artikel beleuchtet die Entwicklung der Gehirnkartierung von Brodmanns Pionierarbeit bis zu modernen, multimodalen Ansätzen und deren Bedeutung für Medizin und Forschung.
Brodmanns Gehirnkarte: Ein historischer Meilenstein
Korbinian Brodmanns Gehirnkarte basiert auf der Analyse der zytoarchitektonischen Unterschiede in verschiedenen Hirnarealen. In akribischer Arbeit schnitt der Arzt die Gehirne von Leichen in hauchdünne Scheibchen und betrachtete sie durch das Okular eines Lichtmikroskops. Peinlich genau zeichnete er, was er sah: Nervenzellen und Zellgewebe, die in den verschiedenen Arealen des Gehirns unterschiedlich gestaltet sind. Dazu wälzte er Bücher mit Fallbeispielen von Patienten. Er verglich ihre Krankheitsbilder mit den Verletzungen in ihren Gehirnen und schloss so auf die Funktionen der einzelnen Gehirnareale. Aus seinen Erkenntnissen leitete Brodmann eine Karte des Großhirns mit 43 Arealen ab, denen er unterschiedliche Funktionen zuwies. Im Brodmann-Areal Nummer 17 beispielsweise finden sich Nervenzellen, die Sehinformationen aus dem Auge empfangen und an andere Hirnareale weiterleiten.
"Die Forscher arbeiten noch mit Brodmanns Karte, weil seine Einteilung relativ einfach erscheint", sagt Amunts SPIEGEL ONLINE. Wissenschaftlich verlässlich sei seine Karte aber nicht.
Grenzen der Brodmann-Karte
Obwohl Brodmanns Karte einen wichtigen Ausgangspunkt darstellte, hat sie einige Einschränkungen. Brodmann untersuchte nur den äußeren Teil der Großhirnrinde. Die Oberfläche der Großhirnrinde ist in tiefe Furchen gewunden, so dass bloß rund ein Drittel von außen ersichtlich ist. "Alle Gehirnbereiche, die in den Furchen darunter liegen, sind in der Hirnkarte von Brodmann nicht erfasst", sagt Zilles. Zudem nutzte Brodmann lediglich ein Lichtmikroskop.
Moderne Gehirnkartierung: Ein multimodaler Ansatz
Wissenschaftlern ist seit langem klar, dass Brodmanns Karte stark veraltet ist und auf ihr viele Areale falsch eingeteilt sind. Daher arbeiten Zilles und Amunts nun an einer Generalrevision dieser Informationen. Rund 50 bis 60 Prozent der Großhirnrinde, also der äußeren Schicht des Großhirns, haben sie schon neu kartiert. Für ihre neue Hirnkarte nutzen die Wissenschaftler viele verschiedene Methoden und Instrumente, nicht nur ein einfaches Lichtmikroskop wie Brodmann. Ihr Verfahren sei "multimodal", wie sie sagen.
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Im ersten Schritt legen sie dazu das Gehirn eines Toten in einen Kernspintomographen und scannen seine Gesamtstruktur ab. Dann schneiden sie das Gehirn in hauchdünne Scheibchen von nur wenigen Tausendstel Millimeter und untersuchen es im Detail mit einem eigens dafür konstruierten Lichtmikroskop. Schicht für Schicht scannt das Mikroskop die Gehirnproben automatisch ab. Unabhängig vom Forscher, der das Mikroskop bedient, kommt es dabei immer zu den gleichen Ergebnissen. Ein Computerprogramm verknüpft anschließend die Daten aus Kernspintomograph und Mikroskop miteinander. Es reiht die Schnitte dreidimensional aneinander und rekonstruiert so Aufbau, Größe und Verteilung der Zellen im Gehirn, die sogenannte Zytoarchitektonik. Das Ergebnis ist ein virtuelles Gehirnmodell in 3D. Brodmanns Karte ist dagegen nur zweidimensional.
Die dreidimensionale Analyse der Gehirnstruktur ist nicht alles, was die Karte aus Jülich auszeichnet. Neu ist auch, dass die Hirnforscher die Ergebnisse von molekularen Tests mit in ihre Karte aufnehmen. Sie untersuchen die Verteilungen von Rezeptoren für Botenstoffe wie Noradrenalin, Glutamat oder Serotonin im Gehirn, indem sie die Botenstoffe markieren und beobachten. In welchen Verhältnissen diese Rezeptoren in einem Gehirnareal vorkommen, hilft ihnen einzuschätzen, welche Funktion das Areal hat. Ihre Ergebnisse dazu tragen sie ebenfalls in ihre Karte ein. Auch Daten über die Aktivität von bestimmten Genen nehmen sie auf.
Alle diese Informationen verknüpfen die Hirnforscher mit Erkenntnissen, die ihnen über die Funktionen von verschiedenen Hirnarealen vorliegen. Hierzu testen sie zusätzlich Versuchspersonen im Kernspintomographen, lassen sie beispielsweise Wörter zu Kategorien wie Musikinstrumente oder Früchte aufsagen und kontrollieren, welche Hirnregionen dabei aktiv werden. Besonders wichtig sind ihre Tests mit Patienten, die an Störungen der Gehirnfunktionen leiden und zum Beispiel ihre Sprache verloren haben.
Das Ergebnis aus anatomischem Aufbau, molekularer Struktur und biologischer Funktionsanalyse ist eine detaillierte Karte, die wie bei Brodmann das Gehirn in Areale einteilt. Statt 43 Areale wie in Brodmanns erster Karte wird die Karte aber ein Vielfaches an Hirnregionen aufweisen. Rund 200 Gebiete haben Zilles und Amunts schon abgesteckt, mehr als 100 weitere könnten folgen.
Die Berücksichtigung der individuellen Variabilität
Mit endgültiger Sicherheit können aber auch Zilles und Amunts nicht sagen, wo genau die Grenzen zwischen den einzelnen Gehirnarealen liegen. Das ist schlicht unmöglich: "Menschen unterscheiden sich in ihren Gehirnen, wie sie sich auch in Größe, Augen- oder Haarfarbe unterscheiden", sagt Amunts. Das Gehirn sei viel dynamischer, als Brodmann es sich vorgestellt hätte. Die neue Karte gibt somit lediglich Wahrscheinlichkeiten an. Die Neurobiologen vergleichen die Gehirne von verschiedenen Personen und berechnen daraus eine Wahrscheinlichkeit, mit der an einer bestimmten Stelle des Gehirns ein bestimmtes Areal zu finden ist.
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Fokus auf den Assoziationskortex
Besonders den Assoziationskortex, das Gehirnareal, in dem Sinneseindrücke wie Schmecken, Riechen und Hören miteinander verknüpft werden, möchten die Wissenschaftler neu kartieren. Brodmann seien in diesem Gebiet, das über die Großhirnrinde verstreut ist und immerhin rund zwei Drittel davon umfasst, viele Fehler in seiner Kartierung unterlaufen. Für die Forscher ist der Assoziationskortex sehr interessant, da sie hier gut untersuchen können, wie Nervenzellen zusammenspielen.
Konnektivität: Das Gehirn als Netzwerk
Die sogenannte Konnektivität, also die Vernetzung der Nervenzellen, ist seit längerer Zeit ein Schlagwort unter Neurobiologen. Sie wissen inzwischen, dass die Gehirnbereiche nicht losgelöst voneinander funktionieren, wie Brodmann es sich noch vorgestellt hatte. "Unser Gehirn ist ein Netzwerk", sagt Zilles. Die Kopplung der vielen Milliarden Nervenzellen im Gehirn untereinander sei für die Funktion des Gehirns entscheidend. In Amerika startet demnächst ein Millionen-Dollar-Projekt, das sich die ehrgeizige Aufgabe gesetzt hat, alle Nervenverknüpfungen im Gehirn zu entdecken. Die Suche nach diesem Konnektom - analog zum Genom als der Gesamtheit aller Gene eines Organismus - ist ein neuer Trend der Neurologie. Zilles: "Unsere Karte wird die Basis für das Konnektom-Projekt sein."
Polarisationsmikroskopie: Ein altes Verfahren neu belebt
Mit seinen Kollegen möchte der Forscher auch selbst nach Nervennetzen suchen. Dazu haben sie ein altes Verfahren wiederbelebt. Mit der sogenannten Polarisationsmikroskopie werden üblicherweise Kristalle und andere Objekte abgebildet, die das Licht durch ihre Struktur in besonderer Weise brechen. Zilles und Amunts nutzen die Methode jetzt, um die faserartigen Fortsätze von Nervenzellen, die Axone, abzulichten. Axone ermöglichen es Nervenzellen, Impulse an andere Nervenzellen weiterzuleiten. Sie sind von außen zumeist mit einer fettreichen Myelinschicht ummantelt, die das Licht ähnlich wie ein Kristall bricht. Selbst nah beieinander liegende Nervenfortsätze in den tief liegenden Regionen des Gehirns hoffen Zilles und Amunts so voneinander zu unterscheiden.
Nutzen der neuen Gehirnkarte
Die neue Gehirnkarte ist offensichtlich schon jetzt vom großem Nutzen, obwohl sie noch nicht vollständig ist. kostenlos im Internet zur Verfügung . Die Karte sollen Mediziner nutzen, um erkrankte Stellen im Gehirn präzise zu finden. Und Pharmazeuten soll sie bei der Entwicklung von neuen Medikamenten gegen Hirnerkrankungen unterstützen. Außerdem könnte die Karte verdeutlichen, was das menschliche Gehirn im Vergleich zu den grauen Zellen anderer Tiere so speziell macht. Ihre vollständige Hirnkarte mit allen Details möchten die Forscher in fünf Jahren präsentieren.
Die Biostruktur-Analyse als weiterer Ansatz
Ein anderer Ansatz zur Strukturierung von Veranlagungen und Lernprozessen im Umgang mit sich selbst und anderen ist das Structogram. Der renommierte amerikanische Hirnforscher Professor Dr. Paul D. MacLean hat nachgewiesen, dass sich in unserem Gehirn drei evolutionsbiologisch unterschiedlich alte Bereiche die Arbeit teilen: Stammhirn, Zwischenhirn/limbisches System und Großhirn. Diese drei so verschiedenartigen Gehirne müssen dennoch im „drei-einigen Gehirn“ (Triune Brain) zusammenarbeiten und sich miteinander verständigen. Der Anthropologe Rolf W. Schirm hat in Zusammenarbeit mit MacLean in der Biostruktur-Analyse typische Persönlichkeits-Merkmale bzw. Verhaltensweisen diesen Bereichen zugeordnet.
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Die Biostruktur-Analyse unterscheidet beim Erwachsenen zwischen der genetisch-veranlagten, nicht veränderbaren Grundstruktur und umweltbedingten‚ veränderbaren Merkmalen der individuellen Persönlichkeit und damit, welche Persönlichkeits-Merkmale bzw. Verhaltensweisen problemlos und dauerhaft verändert werden können und welche nicht. Mit dem Structogram® - einem Kreis mit drei Sektoren - werden die Ergebnisse der Analyse sichtbar gemacht. Dabei werden die drei Bereiche des Gehirns durch drei Farbsektoren repräsentiert und symbolisiert: das Stammhirn durch den Farbsektor GRÜN, das Zwischenhirn/limbische System durch den Farbsektor ROT und das Großhirn durch den Farbsektor BLAU. Die Größe jedes Farbsektors kennzeichnet die Einflussstärke des betreffenden Hirnbereichs, das heißt, welchen Anteil er jeweils an der Steuerung des Verhaltens hat.
Theory of Mind: Die Fähigkeit, sich in andere hineinzuversetzen
Um zu verstehen, was der andere denkt und wie er sich verhalten wird, entwickelt sich im Laufe des Lebens die Fähigkeit, sich in die Perspektive eines anderen hineinzudenken. Diese Fähigkeit wird auch als Theory of Mind bezeichnet. Bislang waren Forscher uneins darüber, in welchem Alter Kinder erstmals dazu in der Lage sind. Zwar besitzen schon jüngere Kinder die Fähigkeit, das Verhalten anderer vorherzusehen. Die Studie des Forschungsteams aus dem Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften, dem University College London und dem Social Neuroscience Lab Berlin zeigt jedoch: Die jüngeren bedienen sich dabei anderer Prozesse und Hirn-Netzwerke als jener, die uns später zur Theory of Mind befähigen. Die Forscher sprechen hier von Arealen für die implizite und die explizite Theory of Mind. Beide Bereiche sind zu unterschiedlichen Zeitpunkten so weit entwickelt, dass sie ihre Funktionen erfüllen können.
Split-Brain-Operationen: Einblick in die Spezialisierung der Hirnhälften
Der US-amerikanische Neurobiologe Roger Sperry ließ 1961 - nach einigen Tierversuchen - als einer der ersten bei einem Menschen die Verbindung zwischen den beiden Hirnhälften durchtrennen: den Balken beziehungsweise das Corpus callosum. Diese Operation sollte bei Patienten mit schwerer Epilepsie verhindern, dass sich ein Anfall von einer Hirnhälfte in die andere überträgt. Auch heute noch wird das Verfahren bei Epilepsiepatienten angewendet. Sperry erforschte jahrelang, welche Folgen die Durchtrennung des Balkens für die Patienten hatte und was sich daraus über die Spezialisierung der Hirnhälften erfahren ließ. Dafür bekam er 1981 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.
Wie Roger Sperry feststellte, konnten die Patienten mit den halbierten Gehirnen nach den Operationen endlich ohne die mitunter lebensbedrohlichen Anfälle leben. Manche dieser so genannten Split-Brain-Patienten verhielten sich nun jedoch merkwürdig, berichtete Sperrys Assistent Michael Gazzaniga: Bei einem Patienten wollte die rechte Hand die Hose hochziehen, die linke Hand wollte die Hose herunterziehen. In einem anderen Fall war ein Mann verärgert über seine Frau und griff sie mit der linken Hand an, während die rechte Hand zugleich versuchte, die Frau zu schützen.
Sperry schlussfolgerte: Die Hirnhälften sind außerordentlich spezialisiert. Die linke Seite sei eher für Analytisches und Sprachliches zuständig, die rechte Seite sei besser in räumlicher Wahrnehmung und Musik. Heute ist allseits bekannt, dass die zwei Hirnhälften unterschiedlich spezialisiert sind und dass im Hirn vieles über Kreuz läuft. So werden etwa die Inhalte des linken Gesichtsfeldes in der rechten Hemisphäre verarbeitet und Rechtshänder schreiben mit der linken Hirnhälfte. Bei Split-Brain-Patienten können die beiden Hirnhälften jedoch nicht mehr miteinander kommunizieren.
Kreativität und die beiden Gehirnhälften
Die linke und rechte Gehirnhälfte (auch Hemisphären genannt) arbeiten unterschiedlich und erfüllen verschiedene Aufgaben. Vereinfacht dargestellt ist die linke Seite zuständig für logische Denkmuster, für Organisation und Planung. Sie arbeitet sehr analytisch und "Schritt für Schritt". Die rechte Gehirnhälfte unterstützt uns mit kreativen Impulsen. Die Informationen werden deutlich schneller und assoziativ verarbeitet. Hier sind auch schnelle Sprünge möglich. Denken erfolgt nicht nach einem festen Muster, sondern nach Eindrücken. Die Körpersprache, das Gedächtnis für Erlebnisse, Sachen und Personen sitzen zu großen Teilen in der rechten Hemisphäre. Jedoch kann man bei den Funktionen der beiden Gehirnhälften keine trennscharfe Linie ziehen. Die Wissenschaft spricht von "Funktionsspezialisierung". Das bedeutet: Beide Gehirnhälften haben ihre Schwerpunkte und Zuständigkeiten.
Kreativität ist keine Gabe einer guten Fee, sondern kann von jedem erlernt werden wie Fahrradfahren: Jeder kann kreativ sein. Wenn Kreativität nicht trainiert wird, nimmt sie stetig ab. Das beginnt bereits in der Schule und setzt sich dann je nach eingeschlagenem Berufszweig weiter fort. Um das kreative Potenzial abrufbar zu halten, muss ein wenig trainiert werden, z.B. durch Mind-Mapping, das beide Gehirnhälften anspricht.
BrainAGE: Das Gehirnalter vorhersagen
Die Forschungsgruppe "Structural Brain Mapping" des Universitätsklinikums Jena hat eine Methode entwickelt, die altersbedingten Veränderungen im gesamten Gehirn mittels eines Machine Learning-Algorithmus lernt. Dazu wird das Alterungsmuster in einer großen Stichprobe trainiert und kann dann für ein neues MRT-Bild zur individuellen Vorhersage des sog. Hirnalters verwendet werden. Das geschätzte Hirnalter wird dann mit dem chronologischen Alter verglichen und die Differenz (BrainAGE) gibt Auskunft, ob z.B. ein beschleunigter Alterungsprozess vorliegt.
Die Loci-Methode: Gedächtnistraining mit dem Gedächtnispalast
Wissenschaftler um Isabella Wagner von der Universität Wien haben untersucht, ob auch Laien von der Loci-Methode profitieren können. Dafür verglich das Team die Gedächtnisleistungen von rund 20 Gedächtnissportlern mit 16 Kontrollpersonen. Und tatsächlich: Nicht nur die Gedächtnissportler merkten sich signifikant mehr Worte als die Kontrollgruppe, sondern sogar die Laien konnten durch nur rund 30 Minuten tägliches Training mit der Loci-Methode eine längere Liste an Gegenständen auswendig lernen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Loci-Lernmethode selbst die Gedächtnisleistung von Anfängern erhöht und dass diese Technik nützlich sein könnte, um sich Erinnerungen dauerhaft besser einzuprägen.
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