Wenn ein Mensch stirbt, stellt sein Gehirn nicht sofort die Arbeit ein. Der Neurologe Jens Dreier hat untersucht, was in der Zwischenzeit passiert - und stieß auf verblüffende Parallelen zur Migräne. Außerkörperliche Erfahrungen, ein helles Licht am Ende des Tunnels: Darüber, was Menschen erleben, wenn sie sterben, können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nur spekulieren. Was kurz vor dem Tod im Gehirn passiert, ist inzwischen hingegen gut untersucht.
Nahtoderfahrungen: Einblicke in das Bewusstsein zwischen Leben und Tod
Unser Wissen dazu basiert ausschließlich auf Interviews: Menschen, die dem Tod nur knapp entgangen sind, etwa weil sie reanimiert wurden, berichten von ihren Erlebnissen. Allerdings haben nur die wenigsten solche Erinnerungen, weshalb die Datenlage relativ dünn ist. Es gibt ein Set von sich ähnelnden Erfahrungen, die über Skalen definiert sind, jedoch in unterschiedlichen Kontexten auftreten können. Nur bei Reanimationen kommen sie wirklich gehäuft vor. Deshalb spricht man meist von Nahtoderlebnissen, wenn man diese Bewusstseinszustände meint. Das ganze Feld hat einen anekdotischen Charakter, was den wissenschaftlichen Zugang dazu erschwert. Aber die Fülle an Berichten deutet darauf hin, dass es solche Erfahrungen wirklich gibt. Sie kommen übrigens auch in verschiedenen Kulturen vor und hängen nicht von bestimmten Religionen ab. All das lässt auf ihre Existenz schließen.
Typische Nahtoderfahrungen umfassen wiederkehrende Muster, etwa das Gefühl, sich gleichzeitig in verschiedenen Epochen und an verschiedenen Orten zu befinden. Häufig entstehen auch abstrakte Sinneseindrücke, zum Beispiel ein helles Licht oder eine Verengung des Sichtfelds - als würde man durch einen Tunnel laufen. Manche erzählen zudem von außerkörperlichen Erfahrungen. Vergleichbare Empfindungen treten manchmal in völlig anderen Situationen auf.
Physiologische Vorgänge während des Sterbens: Die "terminal spreading depolarization"
Besser untersucht sind die physiologischen Vorgänge während des Sterbens. Nehmen wir mal den einfachsten Fall: Jemand erleidet einen Herz-Kreislauf-Stillstand. Wenige Sekunden nachdem das Herz stehen geblieben ist, sinkt die Sauerstoffkonzentration im Gehirn. Die Nervenzellen wechseln in einen Sparmodus, wodurch die neuronale Aktivität massiv gedrosselt wird. Nach etwa sieben bis acht Sekunden verliert der Betreffende das Bewusstsein; nach 30 bis 40 Sekunden ist die gesamte Hirnaktivität erloschen. Allerdings hängt der genaue Zeitpunkt vom Ausmaß der Restdurchblutung ab.
Zuerst kommt eine Phase ohne Aktivität, in der die Neurone lediglich gehemmt, aber noch lebendig sind. Sobald die Durchblutung erneut einsetzt, arbeiten sie wieder normal. Experten nennen den Zustand Hyperpolarisation. Nervenzellen haben ein so genanntes Membranpotenzial, sie sind »polarisiert«. Die Innenseite der Zellmembran ist im Ruhezustand normalerweise negativ geladen; es liegt gegenüber der Außenseite eine Spannung von -70 Millivolt an. Man muss sich das vorstellen wie eine geladene Batterie. Während eines Nervenimpulses depolarisieren die Zellen. Die Innenseite wird folglich kurzzeitig positiv, um anschließend wieder zu repolarisieren, das heißt in den Ausgangszustand zurückzukehren. Wenn die Sauerstoffversorgung abbricht, passiert aber Folgendes: Die Zellen hyperpolarisieren. Sie werden also noch negativer, als sie es ohnehin schon sind. Aus diesem sehr negativen Zustand können sie nicht mehr erregt werden, obwohl die Batterie noch voll geladen ist.
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Um die Hyperpolarisation aufrechtzuerhalten, braucht die Zelle immer noch ein bisschen Energie. Der Körper produziert diese normalerweise aus Glukose und Sauerstoff. Gibt es nicht mehr genug davon, können die Membranpumpen, die das Spannungsgefälle erzeugen, nicht mehr arbeiten. Nach ein paar Minuten entsteht eine riesige Depolarisationswelle, auch »terminal spreading depolarization« genannt, bei der sich die Nervenzellen ähnlich wie bei einem Kurzschluss nacheinander entladen. Wir haben sie 2018 erstmals beim Menschen nachgewiesen. Die Lichterscheinungen kurz vor dem Tod könnten auf diesen pathophysiologischen Prozess zurückgehen.
Sie beginnt in der Regel an bestimmten vulnerablen Punkten der Hirnrinde und breitet sich mit einer Geschwindigkeit von schätzungsweise drei Millimetern pro Minute über das gesamte Gehirn aus. Dabei wandert sie durch alle Bereiche, in denen die Nervenzellkörper sitzen. Dazu gehören neben der Hirnrinde beispielsweise die Basalganglien, das Kleinhirn und sogar Strukturen im Rückenmark. Manche sprechen auch von einer Todeswelle. Tatsächlich bewirkt sie massive Veränderungen im Inneren der Nervenzellen: Alle möglichen Moleküle werden wild durcheinandergewirbelt. Beispielsweise steigt die Konzentration von Kalzium um das 1000-Fache an. Wenn das zu lange andauert, werden die Neurone vergiftet und sterben. Das Erstaunliche jedoch ist, dass sie diesen Zustand für eine gewisse Zeit aushalten. Sofern die Membranpumpen wieder einsetzen und alles, was nicht ins Innere gehört, herausbefördern, überleben die Zellen.
Vom Herzstillstand bis zum Einsetzen des Nervenzelltods dauert es schätzungsweise fünf Minuten. Bereits nach zirka drei Minuten setzt sich die riesige Welle in Gang. Sobald aber jemand reanimiert, also ordentlich aufs Herz drückt, werden Körper und Gehirn leicht durchblutet. Dann halten die Nervenzellen deutlich länger durch.
Parallelen zu Schlaganfällen und Migräne: Die Rolle der Depolarisationswellen
Die Depolarisationswellen treten nämlich nicht nur beim Sterben auf, sondern auch bei Schlaganfällen. Mit meinem Team an der Charité in Berlin untersuche ich so genannte Subarachnoidalblutungen. Sie entstehen, wenn eine Aussackung eines Hirngefäßes platzt. Oft stoppt die Blutung vorübergehend. Dann haben Neurochirurgen oder Neuroradiologen die Chance, die Aussackung sicher zu verschließen, so dass die Gefahr einer weiteren Blutung gebannt ist. Allerdings sind die Patienten damit leider noch nicht über den Berg. Denn das geronnene Blut liegt nun auf der Hirnoberfläche und löst oft etwa eine Woche später Schlaganfälle durch eine Mangeldurchblutung aus.
Wie beim Sterbeprozess treten hierbei aber auch die Depolarisationswellen auf. Erfasst man die neuronale Aktivität mit auf der Hirnoberfläche aufliegenden Elektroden, erkennt man anhand der Wellen, wenn der Betreffende einen Schlaganfall erleidet. So können wir rechtzeitig therapeutisch eingreifen. Die »spreading depolarization« folgt hier ähnlichen Prinzipien wie jene kurz vor dem Tod. Ein wichtiger Unterschied ist, dass der Energiemangel beim Schlaganfall nur lokal auftritt, beim Sterben aber global.
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Ähnlich wie die Nahtoderfahrungen tritt die Depolarisationswelle auch in Situationen auf, die nicht lebensbedrohlich sind. Ein Beispiel ist die Migräneaura. Hier konnten Wissenschaftler unter anderem per funktioneller Magnetresonanztomografie beobachten, wie sich die Welle im Gehirn ausbreitet. Die Welle ist viel größer als jeder epileptische Anfall - sowohl bei der Migräneaura als auch kurz vor dem Tod! Bei Ersterer hinterlässt sie aber fast nie Folgeschäden.
Dem sterbenden Gehirn geht die Energie aus, so dass die Membranpumpen das Spannungsgefälle nicht mehr aufrechterhalten und die »spreading depolarization« entsteht. Aber wieso tritt das bei Migräne auf? Wie schon erwähnt, passiert beim Schlaganfall - wenn ein Blutgefäß verstopft - das Gleiche wie beim Sterben, nur lokal. Das liegt am Energiemangel. Ein Teil der Migräneauren könnte die gleiche Ursache haben: Ein kleines Blutgerinnsel verschließt ein Gefäß und löst die Welle aus. Es ist aber so winzig, dass es sich wieder von allein auflöst und daher keinen Schaden anrichtet.
Ein persistierendes Foramen ovale (PFO), also ein kleines Loch zwischen den beiden Herzvorhöfen, geht bei Erwachsenen häufiger mit Schlaganfällen einher. Nun deuten Studien darauf hin, dass auch Migräne mit Aura bei Menschen mit PFO öfter auftritt. Durch das Loch entsteht eine Art Kurzschluss: Sauerstoffarmes, venöses Blut fließt statt in die Lunge direkt zur anderen Seite des Herzens und gelangt mitsamt etwaigen Gerinnseln von dort ins Gehirn. Manchmal können wir sogar ganz kleine Schlaganfälle nach einer Migräneaura feststellen.
Das hat man tatsächlich versucht. Aber es funktioniert offenbar nicht bei allen Betroffenen, denn es gibt noch viele andere Auslöser für die Welle, die größtenteils noch nicht verstanden sind. Zum Beispiel gehen bestimmte angeborene Störungen im Nervenzell- oder Astrozytenstoffwechsel mit dieser Migräneform einher, was mit Gefäßproblemen nichts zu tun hat. Der Prozess der »spreading depolarization« kann übrigens sogar ganz ohne typischen Blutkreislauf auftreten: bei Grashüpfern und Kakerlaken etwa. Er ist stammesgeschichtlich sehr alt.
Migräne und Veränderungen in den perivaskulären Räumen
Forscher der University of Southern California haben auf den Bildern signifikante Veränderungen in den perivaskulären Räumen einer Gehirnregion entdeckt, die als Centrum semiovale bezeichnet wird. Perivaskuläre Räume sind flüssigkeitsgefüllte Blasen, die Blutgefäße im Gehirn umgeben. Sie befinden sich am häufigsten in den Basalganglien in der Tiefe der Großhirnhemisphäre und dem Zentrum des Großhirns sowie entlang des Sehtrakts. Perivaskuläre Räume können Anomalien an der Blut-Hirn-Schranke und Entzündungen verursachen.
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Um Zusammenhänge zu erkennen, haben die Forscher strukturelle mikrovaskuläre Veränderungen bei verschiedenen Arten von Migräne verglichen. Zu untersuchen, wie die Flüssigkeitsansammlungen zur Migräne beitragen, könnte uns helfen, die Komplexität des Auftretens von Migräne besser zu verstehen. Da das von uns eingesetzte MRT in der Lage ist, Bilder des Gehirns mit viel höherer Auflösung und besserer Qualität als mit anderen MRT-Typen zu erstellen, können wir viel kleinere Veränderungen erkennen, die bei einer Migräne im Hirngewebe auftreten", so Xu.
Die Forscher vermuten, dass signifikante Unterschiede in den perivaskulären Räumen bei Patienten mit Migräne im Vergleich zu gesunden auf eine glymphatische Störung im Gehirn hindeuten. Das glymphatische System ist dafür zuständig, lösliche Proteine und Metaboliten, die Abfälle sind, aus dem zentralen Nervensystem zu eliminieren. Das könnte eine Ursache für Migräne sein, allerdings muss noch viel geforscht werden, um alle Zusammenhänge zu verstehen.
Neurofeedback als Therapieansatz bei Migräne
Neurofeedback ist eine besondere Anwendungsform des Biofeedback, dessen Ziel es ist, elektrochemische Vorgänge im Gehirn zu trainieren und zu verbessern. Dazu wird das Elektroenzephalogramm (EEG) gemessen und dem Trainierenden über visuelles/auditives oder taktiles Feedback rückgemeldet. Durch das Feedback der eigenen EEG-Aktivität wird die Wahrnehmung der internen Zustände verbessert. Das Ziel von Neurofeedback ist es, durch diese Selbstregulation die Muster der Fehlregulierung zu durchbrechen und das Gehirn wieder in einen besseren Funktionszustand zu bringen.
Bei chronischen Schmerzen und Migräne kommt Neurofeedback zum Einsatz, um die Schmerzwahrnehmung zu beeinflussen und ihre Schmerzbewältigung zu verbessern.
Audiovisuelle Stimulation (AVS)
Audiovisuelle Stimulation (AVS) bezeichnet eine moderne und wirkungsvolle Technik zur Anregung positiver kognitiver und emotionaler Zustände. Das Prinzip beruht auf der Stimulation des zentralen Nervensystems durch geeignete und variierbare Licht- und Klangsignale. Dabei wird das Gehirn stimuliert, was je nach Art der Stimulation unterschiedliche Effekte mit sich bringt und als unterstützende Therapie bei psychologischen und physiologischen Störungen dienen kann.
Der Thalamus bildet im Gehirn die Schaltstelle aller Sinne des Menschen, ausgenommen den Geruchssinn, die von der Peripherie unserer Sinnesorgane ausgehend hier den Eingang zum Großhirn finden. Der Thalamus ist sozusagen das Tor zum Großhirn, wo viele unserer kognitiven Fähigkeiten begründet liegen. Da der Thalamus aktivierend auf unser Großhirn wirkt, kann eine Stimulation über unsere Sinnesorgane wie z.B. die Augen und die Ohren die kortikalen Aktivitäten leicht beeinflussen.
Damit dies erfolgreich ablaufen kann, muss diese Stimulation innerhalb des Frequenzbereichs von ungefähr 0,5 bis 25 Hertz (Hz) stattfinden. In diesem Frequenzbereich bewegt sich der größte Teil der Gehirnwellen, die in einem Elektroenzephalogramm (EEG) sichtbar gemacht werden können. Eine Stimulation über den Tastsinn gilt als schwierig, da ein großer Bereich der Haut angeregt werden müsste, um Gehirnwellen aktiv zu beeinflussen. Deswegen hat sich die Stimulation mittels auditiver und visueller Methoden am einfachsten und effektivsten erwiesen. Geräte zur Audiovisuellen Stimulation können deshalb spezielle Licht- und Tonsignale erzeugen.
Audiovisuelle Stimulation besteht aus einer konstanten, sich wiederholenden Abfolge von Reizen in einer diskreten Frequenz, die intensiv genug sind, um den Thalamus und das Großhirn anzuregen. Die Geräte zur Stimulation übertragen dabei nur indirekt Energie zum Großhirn. Der einzige Bereich, der direkt durch Audiovisuelle Stimulation mit Energie angesprochen wird, sind einzelne Zellbereiche in den Augen und druckempndliche Härchen innerhalb der Innenohrschnecke. Die Nervenstränge der Augen und Ohren leiten die elektrischen Impulse zum Thalamus. Von dort gelangt die verstärkte elektrische Aktivität in andere limbische Regionen und in den Neocortex. Audiovisuelle Stimulation beinhaltet immer eine messbare, elektrische Reaktion des Gehirns in Relation zu der Frequenz der Stimulation und oft auch zu deren mathematischen Oberwellen.
Die Auswirkungen der Stimulation auf das EEG werden primär im Sensomotorischen Kortex, dem Scheitellappen und dem präfrontalen Kortex beobachtet. Innerhalb dieser Bereiche werden motorische Aktivierung, Aufmerksamkeit, ausführende Funktionen und somato-sensorische Körperwahrnehmungen herbeigeführt. Vom Konzept her ähneln sich auditive und visuelle Stimulation. Der Unterschied besteht darin, dass bei auditiver Stimulation die Signale von der Innenohrschnecke über den medialen Kniehöcker zum Thalamus gelangen, während bei der visuellen Stimulation die Signale von der Netzhaut über den seitlichen Kniehöcker zum Thalamus geleitet werden.
Eine Studie, in der sieben an Migräne leidende Probanden untersucht wurden, ergab, dass die Dauer der Migräne-Zustände von 6 Stunden auf 35 Minuten verkürzt werden konnte. Von insgesamt 50 Migräneanfällen der Probanden konnten 49 in ihrer Auswirkung reduziert werden und 36 endeten sogar vollständig, als Ergebnis der Audiovisuellen Stimulation.
Das Gehirn selbst empfindet keinen Schmerz
Bei Kopfschmerzen scheint der Schmerz direkt in meinem Gehirn zu pochen. Aber es werden doch auch Operationen am Gehirn bei vollem Bewusstsein durchgeführt. Das Gehirn selbst empfindet keinen Schmerz. Was es generell für eine Schmerzweiterleitung braucht, ist ein in den schmerzempfindlichen Geweben befindlicher Rezeptor. Dabei handelt es sich um Nervenendigungen in der Peripherie des Körpers, die dann zu Neuronen im Rückenmark ziehen. Das Gehirn hat aber keine solchen Schmerzrezeptoren. Das bedeutet: Sie können in das Gehirn reinstechen oder es drücken, das merkt es nicht.
Man hatte ihnen die Schädeldecke geöffnet, um nach einem Hirntumor zu suchen. Die Patienten bemerkten überhaupt nichts von dem Stich! Daraus folgerte Wolff, dass das Gehirn schmerzunempfindlich ist. Dann aber hat er die Hirnhaut - die innerhalb des Schädels das Gehirn umgibt - und die großen Gefäße des Gehirns mit einem Pinsel berührt. Diesmal tat den Patienten die Berührung massiv weh. Darauf schloss er zu Recht, dass die Hirnhaut aber auch die Gefäße anders als die eigentliche Hirnsubstanz über Schmerzrezeptoren verfügen. Auch bei Kopfschmerzen tut das Gehirn selbst nicht weh. Es handelt sich stattdessen vermutlich um eine Entzündung der Hirnhäute oder der großen Gefäße.
Gehirnaktivität im Moment des Todes
Wie fühlt sich der Tod an? Sehen wir ein Licht am Ende eines Tunnels, den eigenen sterbenden Körper oder zieht das Leben noch einmal vor dem inneren Auge vorbei? Eine US-Studie deutet nun darauf hin, dass unser Gehirn im Augenblick des Todes wirklich Erinnerungen aufflackern lässt. Insgesamt wurden 15 Minuten der Hirnaktivität beim Sterben des Mannes aufgezeichnet. "Wir haben uns darauf konzentriert, was in den 30 Sekunden vor und nach dem Herzstillstand geschah", erläutert Studienleiter Ajmal Zemmar, Neurochirurg an der Universität Louisville. Diese Hirnwellen bilden Muster rhythmischer neuronaler Aktivität ab. Verschiedene Wellen werden mit diversen Funktionen verbunden, wobei die in der Studie beschriebenen Frequenzmuster jenen ähneln, die beim Meditieren oder beim Abruf von Erinnerungen auftreten.
Langjährige Migräne mit Aura und Läsionen im Kleinhirn
Frauen, die lange Jahre unter einer Migräne mit Aura leiden, haben im Alter häufiger kernspintomografische Läsionen im Kleinhirn. Bisher gingen die meisten Experten davon aus, dass Migräne keine dauerhaften Schäden im Gehirn hinterlässt (auch wenn eine Reihe von epidemiologischen Studien auf ein erhöhtes Schlaganfall-Risiko der Patienten hinweisen).
Es zeigte sich, dass Frauen (nicht aber Männer), die regelmäßig unter Migräne (mit Aura) litten, häufiger kernspintomografische Läsionen im Gehirn aufwiesen, wobei diese Läsionen vor allem im Kleinhirn zu finden waren: Betroffen waren 23 Prozent der Frauen, die ein Vierteljahrhundert zuvor unter Migräne mit Aura gelitten hatten, aber nur bei 14,5 Prozent der anderen Frauen.
Als Erklärung bieten sich wiederholte Durchblutungsstörungen im Kleinhirn an, zu denen es bei den episodischen Schmerzattacken der Migräne kommt.
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