Die kognitiven Neurowissenschaften haben sich zum Ziel gesetzt, die Aktivität unseres Gehirns während spezifischer Denkprozesse zu verstehen. Doch was geschieht in unserem Denkorgan, wenn keine konkrete Aufgabe anliegt? Was passiert, wenn wir uns nicht äußeren Reizen zuwenden, sondern nach innen schauen? Und wie können wir dies erforschen? Dieser Artikel beleuchtet das sogenannte "Grundrauschen" der neuronalen Aktivität, ein faszinierendes Gebiet der Hirnforschung, das uns hilft, die Funktionsweise unseres Gehirns im Ruhezustand besser zu verstehen.
Bildgebende Verfahren: Ein Fenster ins Gehirn
Um die Aktivität unseres Gehirns im Ruhezustand zu untersuchen, benötigen wir Methoden, die uns erlauben, von außen in den Körper zu blicken und Abbildungen des Gehirns zu erhalten. Diese Verfahren werden als bildgebende Verfahren bezeichnet. Zu den bekanntesten Methoden gehören die Computertomographie (CT) und die Magnetresonanztomographie (MRT). Diese spielen eine zentrale Rolle in der Medizin, insbesondere bei der Untersuchung von Hirnverletzungen oder Tumoren.
Funktionelle MRT: Sauerstoff als Schlüssel zur Aktivität
Eine wichtige Errungenschaft in der bildgebenden Verfahrenstechnik für die Neurowissenschaften ist die Nutzung von Sauerstoff als endogenes Kontrastmittel in der MRT-Bildgebung. Moderne MRT-Technik ermöglicht es uns, mit hoher räumlicher Präzision einzuschätzen, welche Hirnareale mit wie viel sauerstoffreichem Blut versorgt werden. Ein Hirnareal, das stärker versorgt wird als andere, ist wahrscheinlich besonders aktiv, da hier mehr Stoffwechsel stattfindet.
Diese Art der Bildgebung, bei der nicht nur ein Bild des Gehirns aufgenommen, sondern die Aktivität über einen gewissen Zeitraum gemessen wird, wird als funktionale Bildgebung (statt der strukturellen Bildgebung) bezeichnet. Die Variante der MRT, die Veränderungen im sauerstoffreichen Blut betrachtet, nennt man funktionale MRT (fMRT). Neben Methoden wie dem EEG oder dem PET-Scan ist die fMRT das zentrale Werkzeug der kognitiven Neurowissenschaften.
Kognitive Neurowissenschaften: Eine Brücke zwischen Psychologie und Neurowissenschaften
Die kognitiven Neurowissenschaften sind ein relativ junges Feld, das eine Art Bindeglied zwischen Psychologie und Neurowissenschaften darstellt. Hier werden kognitive Tests mit funktionaler Bildgebung kombiniert, um zu ermitteln, welche Hirnareale für bestimmte psychologische Funktionen zuständig sind. Beispielsweise gibt es Areale auf der menschlichen Hirnrinde, die mit der Aufmerksamkeit, Sprachprozessen oder dem Kurzzeitgedächtnis verbunden sind.
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In Experimenten der kognitiven Neurowissenschaften werden meist zwei Arten von Messungen durchgeführt. Zum einen wird das Gehirn aufgenommen, während die Aufgabe oder der Test durchgeführt wird. Zum anderen werden Messungen der Hirnaktivität gemacht, ohne dass die Teilnehmenden eine genaue Aufgabe haben. Dies dient dem Zweck, einen genaueren Eindruck der für die Aufgabe relevanten Areale zu erhalten, indem von der "Aufgabenaktivität" die "Grundaktivität" abgezogen wird.
Das Default Mode Network (DMN): Hirnaktivität im Ruhezustand
Diese Herangehensweise brachte einen weiteren Aspekt der Hirnaktivität zutage, der eigentlich kein Ziel der ersten kognitiven neurowissenschaftlichen Experimente war: Im wachen Ruhezustand sind einige Hirnareale aktiver, als wenn ein klares Ziel verfolgt wird! Um diese Ergebnisse besser zu verstehen, wurde ein neues Paradigma eingeführt: Das Resting-State Imaging, oder auf Deutsch, die Bildgebung im Ruhezustand. Hierbei werden die Methoden der funktionalen Bildgebung genutzt, um im Ruhezustand aktive Hirnareale zu finden. Teilnehmende würden also im Scanner keine Aufgaben lösen, sondern einfach die Augen schließen oder ihren Blick auf einen vorgegebenen Punkt fixieren.
Es zeigt sich, dass, ähnlich wie bei höheren kognitiven Funktionen, stets mehr als ein Hirnareal aktiv ist. Die Aktivität in diesen Arealen ist sich dabei oft sehr ähnlich, weshalb man die Areale zu Netzwerken zusammenfasst. Es wurden einige dieser Ruhezustands-Netzwerke gefunden, das wahrscheinlich wichtigste und wissenschaftlich am genausten beschriebene dieser Netzwerke ist das Default Mode Network (DMN).
Die Entdeckung des DMN
Zuerst beschrieben wurde dieses Netzwerk von Gordon Shulman und seinem Team, die in einem PET-Scan Experiment feststellten, das die Areale des DMN während zielgerichteten kognitiven Aufgaben ihre Aktivität verringerten. Bestärkt wurden diese ersten Ergebnisse von den PET-Untersuchungen von Marcus E. Raichle, der wie Shulman an der University of Washington tätig ist. Die Experimente wurden in späteren fMRT- und EEG-Experimenten mehrfach wiederholt. Auch mit diesen Verfahren wurde mehrfach gezeigt, dass die verschiedenen Hirnareale im DMN eng verknüpfte Aktivität aufweisen und Veränderungen innerhalb dieses Netzwerkes meist gleichzeitig erfolgen.
Das DMN konnte also mit verschiedenen Methoden und mittlerweile auch sehr vielen verschiedenen Teilnehmenden gefunden werden. Aus diesen Gründen gilt es als sehr gut gesichertes Ergebnis und sozusagen als die Nulllinie der menschlichen Hirnaktivität. Interessanterweise wurden Netzwerke in Affen und Nagern beschrieben, die dem DMN sehr ähnlich sind. Es wird deshalb vermutet, dass es sich um ein speziesübergreifendes Phänomen handelt.
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Lokalisation und Funktion des DMN
Räumlich erstreckt sich das DMN über weite Teile der Hirnrinde und umfasst dabei Areale auf dreien der vier Hirnlappen, nämlich dem Parietal-, Temporal- und Frontallappen. Wichtig ist dabei, dass die Areale des DMN stets abseits von den Hirnarealen liegen, die mit direkten sensorischen Eindrücken beschäftigt sind, also klar abgegrenzt von der primären Sinneswahrnehmung.
Was die Funktionen des DMN angeht, ist die Frage etwas komplizierter. Schon Shulman und Raichle vermuteten, dass es sich bei den Funktionen des DMN wahrscheinlich um selbst-referentielle Gedanken handele. Das ist natürlich ein spannender Ansatz, da es uns einen Anhaltspunkt dafür geben würde, wie ein so komplexer gedanklicher Prozess wie das Nachdenken über uns selbst in unserem Hirn funktionieren könnte.
Ein australisches Team von Forschenden um den kognitiven Neurowissenschaftler Christopher Davey untersuchte diese Hypothese genauer und verglich 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. So wurden die Teilnehmenden etwa gebeten, zu entscheiden, ob verschiedene Adjektive ihren eigenen Charakter gut beschreiben würden oder nicht. Gezeigt wurde dabei, dass wichtige Kernregionen des DMN nicht nur im Ruhezustand aktiv sind, sondern während selbst-referentiellen Aufgaben ihre Aktivität sogar noch weiter erhöhen. Interessanterweise waren dies auch die Regionen im DMN, die am besten mit anderen Hirnregionen vernetzt sind, man nennt diese Areale auf der Hirnrinde auch Hubs. Sie sind also bestens vernetzt mit anderen Hirnsystemen, etwa mit solchen, die für das Abrufen von Erinnerungen oder für emotionale Prozesse zuständig sind.
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. Diese Hypothese hat zwar einigen Rückhalt, doch mehr Forschung wird von Nöten sein, um sie abschließend zu belegen. Dies liegt daran, dass es sich bei Messungen von funktionaler Hirnaktivität meist um sehr kleine Effekte handelt und deshalb Wiederholungen an mehr Menschen, sogenannte Replikationen der Ergebnisse, ein zentraler Bestandteil des Forschungsprozesses sind.
Das DMN und seine Rolle bei Erkrankungen
Was passiert, wenn sich die Aktivität im DMN verändert? Da dem DMN ja so grundlegende Funktionen zugeschrieben werden, wie unsere Selbstwahrnehmung als Mensch, muss man sich natürlich die Frage stellen, wie verringerte oder erhöhte Aktivität im DMN sich auf uns auswirken könnte. Um diese Frage zu beantworten, kann man sich beispielsweise Krankheiten ansehen, die sich auf die DMN-Aktivität auswirken.
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Alzheimer-Demenz
So ist es zum Beispiel so, dass die Aktivität im DMN bei Betroffenen der Alzheimer-Demenz gestört ist. In anderen Worten werden die Verbindungen zwischen den verschiedenen DMN-Arealen 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. Allerdings heißt dies nicht, dass Alzheimer in erster Linie eine Erkrankung von Netzwerken der Hirnrinde ist. Betroffen sind bei Alzheimer durchaus auch Areale außerhalb des DMN. Zudem könnte eine andere Erklärung für die hohe Betroffenheit des DMN sein, dass DMN-Areale einfach zu den aktivsten im Hirn zählen, weshalb sich die für Alzheimer relevanten Proteine dort früher ablagern als anderswo im Gehirn. Jedoch gab es auch Ergebnisse, die darauf hindeuten, dass das DMN bei jüngeren Menschen, die genetische Risikofaktoren für Alzheimer-Demenz tragen, aktiver ist, was evtl. dabei helfen könnte, die Erkrankung schon viele Jahre vor den ersten Symptomen zu erkennen. Aus diesem Grund wird das DMN mit Sicherheit weiterhin ein wichtiges Thema in der Alzheimerforschung bleiben.
Schizophrenie
Eine weitere Krankheit, bei welcher das DMN gestört wird, ist die Schizophrenie. Dies erscheint intuitiv erst einmal sehr logisch, da sich die Schizophrenie häufig stark auf das Ich-Erleben der Betroffenen auswirkt. Allerdings ist bei diesem Störungsbild noch unklar, wie genau der Effekt auf das DMN aussieht. So finden einige Studien 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.
Weitere Erkrankungen und Substanzen
Wie ihr euch wahrscheinlich vorstellen könnt, endet die Liste der Krankheiten, bei denen das DMN involviert ist hier nicht. Auch bei Depressionen, der bipolaren Störung und der Parkinson’schen Erkrankung wurde bereits diskutiert, inwiefern das DMN in Mitleidenschaft gezogen wird.
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. Auch dies wirkt intuitiv schlüssig, da die Wirkung dieser Substanzen oft mit einer verringerten Selbstwahrnehmung in Verbindung gebracht wird. 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. Man spricht hier oft davon, dass diese Substanzen die internetwork-connectivity oder auch das globale Netzwerk stärken. Viele Forschende vermuten, dass dieser Effekt zentral für die therapeutischen Wirkungen dieser Substanzen sein könnte, auch wenn dies nicht der einzige relevante Wirkmechanismus der Psychedelika ist. Wichtig ist hierbei vor allem, dass bei Störungen wie der Depression die Verbindungen innerhalb des DMN oft stärker sind, als die Verknüpfungen zwischen verschiedenen Hirnnetzwerken. Somit könnte die antidepressive Wirkung von Psychedelika gut erklärbar sein, da diese ja einen entgegengesetzten Effekt haben und die Verknüpfungen zwischen Netzwerken stärken und somit eventuell freiere und weniger negative Gedanken zulassen. Auch hier ist aber noch viel Forschung notwendig.
Neuronale Variabilität: Mehr als nur Rauschen
Die neuronale Aktivität des Gehirns ist unregelmäßig und ändert sich von einem Moment zum nächsten. Bisher wurde angenommen, dass dieses scheinbare "Rauschen" auf zufällige natürliche Schwankungen oder Messfehler zurückzuführen ist. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Bildungsforschung haben jedoch gezeigt, dass diese neuronale Variabilität einen einzigartigen Einblick in die Funktionsweise des Gehirns eröffnen kann.
Neuronale Variabilität und Verhalten
In einer Vielzahl von Studien haben Forscher systematisch das "Rauschen" des Gehirns untersucht und gezeigt, dass neuronale Variabilität einen direkten Einfluss auf menschliches Verhalten hat. Eine kürzlich veröffentlichte Studie veranschaulicht den direkten Zusammenhang zwischen neuronaler Variabilität und Verhalten. Die Gehirnaktivität von Studienteilnehmerinnen wurde per Elektroenzephalogramm (EEG) gemessen, während sie schwache visuelle Muster auf einem Bildschirm entdecken mussten. Wenn die Teilnehmerinnen aufgefordert wurden, so viele Muster wie möglich zu erkennen, stieg die neuronale Variabilität im Allgemeinen an, wohingegen sie herunterreguliert wurde, wenn Teilnehmer*innen aufgefordert wurden, Fehler zu vermeiden. Personen, die eher in der Lage waren, ihre neuronale Variabilität an diese Aufgabenanforderungen anzupassen, erbrachten auch bessere Leistungen.
"Je besser ein Gehirn sein ‚Rauschen‘ regulieren kann, desto besser kann es unbekannte Informationen verarbeiten und auf sie reagieren. Die Forschungsgruppe zeigt in einer Reihe weiterer Studien die Bedeutung der neuronalen Variabilität für erfolgreiches menschliches Verhalten. Ob es dabei um das Verarbeiten von Gesichtern geht, um das Merken von Objekten oder das Lösen von komplexen Aufgaben: Die Fähigkeit, neuronale Variabilität von einem Moment zum anderen zu regulieren, scheint für optimale kognitive Leistung erforderlich zu sein.
Neuronale Variabilität als Prädiktor für Behandlungserfolg
Sich ändernde Hirnsignale von einem Moment zum anderen wurden lange Zeit als Zeichen für unerwünschtes "Rauschen" angesehen. Mittlerweile gewinnt eben diese zeitliche Variabilität zunehmend Einfluss als Marker für individuelle Unterschiede effizienter neuronaler Funktion.
In einer Studie mit Patient:innen mit sozialer Angststörung wurde die neuronale Variabilität von einem Moment zum anderen erfasst und anschließend mit dem Erfolg einer kognitiven Verhaltenstherapie in Verbindung gebracht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die neuronale Variabilität ein zuverlässiger und effizienter Prädiktor für psychiatrische Behandlungsergebnisse sein kann, insbesondere wenn störungsrelevante Aufgabenstellungen verwendet werden.
Weitere Aspekte des neuronalen Grundrauschens
Der Einfluss des Alters
Wissenschaftler an der Universität zu Lübeck haben herausgefunden, dass die Struktur des neuronalen Rauschens im Gehirn mit steigendem Alter ungeordneter wird. Unser Gehirn verändert sich, wenn wir altern: Verbindungen zwischen verschiedenen Hirnarealen werden umgebaut, weiße Substanz abgebaut und lokale Verbindungen verstärkt. Diese Umbauprozesse schlagen sich auch in der Spontanaktivität nieder: "Das neuronale Rauschen wird mit zunehmendem Alter unstrukturierter", erklärt Studienleiter Leonhard Waschke. "Hierbei spielt es keine Rolle, ob das Gehirn gerade scheinbar ruht oder eine fordernde kognitive Aufgabe erfüllen muss. Dabei ist das neuronale Rauschen keineswegs zeitlich konstant. Die Struktur der Spontanaktivität variiert von Sekunde zu Sekunde.
Neuronales Rauschen und ADHS
Bei der Aufmerksamkeitsstörung (ADHS) sind Nervenzellen in der Augennetzhaut übermäßig aktiv. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Universitätsklinikums Freiburg haben möglicherweise einen wichtigen Mechanismus dafür gefunden, warum Kinder und Erwachsene an mangelnder Aufmerksamkeit, hoher Ablenkbarkeit und Hyperaktivität leiden. Für das sogenannte Aufmerksamkeits-Defizit-Hyperaktivitäts-Syndrom (ADHS) könnte es von Bedeutung sein, dass Nervenzellen verstärkt reizunabhängig aktiv sind. Eine solche Aktivität ohne äußere Reize wird als Hintergrundrauschen bezeichnet. Die Freiburger Wissenschaftler haben das Rauschen in den Nervenzellen der Netzhaut gemessen, die ein vorgelagerter Teil des Gehirns ist. Bei den erwachsenen Testpersonen mit ADHS war das Rauschen verstärkt. Damit steht eventuell erstmals ein Test zur Verfügung, mit dem ADHS im Gehirn diagnostiziert werden kann.
THC und neuronales Rauschen
Eine aktuelle Studie US-amerikanischer Mediziner der Universität Yale legt nahe: Das im Cannabis enthaltene THC erhöht das sogenannte "neuronale Rauschen" im Gehirn. Studien zeigen: Der Konsum kann das Risiko einer Psychose erhöhen.
Schlussfolgerung
Das DMN ist ein wichtiges Hirnnetzwerk, dass für unser Erleben als Menschen eine grundlegende Rolle zu spielen scheint. Es ist involviert in Gedanken, die wir uns über uns selbst machen und eine Störung dieses Netzwerkes kann schwerwiegende Folgen haben. Einige Substanzen scheinen in der Lage zu sein, das Netzwerk zu regulieren und uns somit bei verschiedenen Erkrankungen der Psyche Linderung zu verschaffen. Dennoch verstehen wir dieses grundlegende Hirnnetzwerk, wie so vieles in unseren Köpfen, noch lange nicht vollständig. Der Forschungszweig des Resting-State Functional Imaging hat also noch viele spannende Erkenntnisse zu bieten, die uns hoffentlich dabei helfen werden, uns selbst besser zu verstehen. Das neuronale Rauschen ist also kein bedeutungsloses Phänomen, sondern ein wichtiger Aspekt der Hirnaktivität, der uns helfen kann, die Funktionsweise unseres Gehirns besser zu verstehen und neue Wege zur Behandlung von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen zu entwickeln.
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