Unser Körper, unser Verhalten und unser Gehirn sind alles andere als symmetrisch. Diese Asymmetrie scheint eine wichtige Rolle für das reibungslose Funktionieren von Denken, Sprechen und Motorik zu spielen. Forscher suchen nach genetischen Spuren für dieses Phänomen.
Die äußere und innere Asymmetrie des menschlichen Körpers
Auf den ersten Blick erscheint der menschliche Körper vollkommen symmetrisch: zwei Arme, zwei Beine, zwei Augen, zwei Ohren, und auch Merkmale wie Nase und Mund scheinen bei den meisten Menschen in beiden Gesichtshälften ebenmäßig angelegt. Doch bei näherem Hinsehen zeigt sich, dass etwa ein Fuß länger ist als der andere, eine Hand kräftiger ausgebildet ist oder das linke Ohr tiefer sitzt als das rechte. Noch deutlicher wird es beim Blick ins Innere: Das Herz schlägt links, Leber, Gallenblase und Milz befinden sich dagegen in der rechten Körperhälfte.
Die funktionelle Asymmetrie des Gehirns
Auch beim Gehirn gaukelt der äußere Schein einen recht symmetrischen Aufbau vor. Das Denkorgan ist aufgeteilt in zwei Hälften, die in etwa gleich groß sind, und auch die Furchen und Wölbungen folgen einem ähnlichen Muster. Doch die funktionellen Zentren sind höchst ungleichmäßig verteilt. Rechte und linke Hemisphäre sind auf unterschiedliche kognitive Funktionen spezialisiert. „Ganz deutlich ist die Lateralisierung bei der Sprache“, sagt Clyde Francks, Arbeitsgruppenleiter in der Abteilung Sprache und Genetik am Max-Planck-Institut für Psycholinguistik in Nijmegen in den Niederlanden.
Lateralisierung als biologisches Grundprinzip
„Lateralisierung - sowohl beim Körperbau als auch im Gehirn und im Verhalten - ist ein biologisches Grundprinzip“, erklärt Francks und betont: „Im Gehirn scheint sie sich jedoch weitgehend unabhängig vom Körper zu entwickeln.“ Für die Anatomie zeichnet vor allem der asymmetrische Aufbau der Aminosäuren verantwortlich, der darüber bestimmt, wie sich Proteine zusammenfügen. Die Ursachen und Mechanismen, die zur Asymmetrie im Gehirn und in dessen Funktion führen, sind dagegen noch weitgehend unklar. Sehr wahrscheinlich spielt hier die Genetik eine tragende Rolle. Dafür spricht, dass sich die Unterschiede zwischen den Gehirnhälften bereits sehr früh in der Entwicklung zeigen. So etwa bei der Händigkeit - ein Effekt, der ebenfalls im Zusammenhang mit der Lateralisierung des Denkorgans steht und zugleich das auffälligste asymmetrische Verhaltensprinzip ist. Bereits bei 10 Wochen alten menschlichen Feten lässt sich im Ultraschall beobachten, dass 85 Prozent der heranwachsenden Babys den rechten Arm häufiger bewegen als den linken.
Die Suche nach den genetischen Ursachen der Lateralisierung
Clyde Francks ist schon seit vielen Jahren fasziniert von der Lateralisierung des Gehirns. Bereits seit 2002 suchte der Zoologe - zunächst als Doktorand und später als wissenschaftlicher Mitarbeiter - am Wellcome Trust Centre for Human Genetics in Oxford, Großbritannien, nach Genen, die der Händigkeit zugrunde liegen. In Oxford arbeitete Francks eine Zeit lang mit Simon Fisher zusammen, dem heutigen Direktor am Max-Planck-Institut für Psycholinguistik. Für Fisher standen jedoch andere Themen im Vordergrund. Er hatte 2001 das weithin bekannte Gen FOXP2 entdeckt, das eine zentrale Rolle für Sprache und Sprechen spielt. Als Fisher ans Max-Planck-Institut für Psycholinguistik kam, um dort die Abteilung Sprache und Genetik neu aufzubauen, warb er seinen ehemaligen Kollegen an.
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Die Entdeckung der Sprachzentren im Gehirn
Dass die wichtigen funktionellen Zentren für Sprache und Sprechen asymmetrisch über das Gehirn verteilt sind, hatte bereits der französische Arzt Paul Broca Anfang der 1860er-Jahren entdeckt. Er war auf ein seltsames Phänomen gestoßen: War ein bestimmter Bereich in der linken Gehirnhälfte zerstört, verstanden die Betroffenen zwar noch, was man ihnen sagte. Sie selbst waren aber nicht mehr in der Lage, sich verbal auszudrücken. Der Franzose hatte eines der Hauptzentren für Sprache entdeckt, das nach ihm benannte Broca-Areal, dem heute eine maßgebliche Funktion für die Sprachproduktion zugeschrieben wird, aber auch für die Verarbeitung von Satzstruktur und Grammatik. Ein weiteres wichtiges Sprachzentrum, das Wernicke-Areal entdeckte wenige Jahre später, der deutsche Neurologe Carl Wernicke. Dieser Hirnregion kommt eine maßgebliche Rolle beim Sprachverstehen zu. Neuere wissenschaftliche Untersuchungen auf der Basis funktioneller Bildgebung, mit der sich anhand der Durchblutung oder des Zuckerstoffwechsels die aktiven Hirnregionen darstellen lassen, haben ergeben: Die relevanten Areale für Sprache und Sprachverarbeitung sind über das Gehirn verteilt, oftmals sogar in weit voneinander entfernten Regionen.
Individuelle Unterschiede in der Lateralisierung
Dazu kommt: Die Lateralisierung ist individuell verschieden ausgeprägt - nicht nur bei den wenigen Menschen, deren Gehirn spiegelverkehrt zu dem der Mehrheit spezialisiert ist. Auch die Denkorgane von Personen, deren Sprachverarbeitung prinzipiell links gelagert ist, unterscheiden sich darin, wie deutlich die Asymmetrie ausgeprägt ist. Das kann sogar nur einzelne Hirnareale betreffen. Doch wie wirkt sich das auf die kognitiven Leistungen des Einzelnen aus? Frühere Forschungsergebnisse liefern recht unterschiedliche Antworten auf die Geschlechterfrage.
Geschlechtsunterschiede in der Lateralisierung
2008 führte etwa ein Forscherteam des University Medical Center Utrecht in den Niederlanden eine Metaanalyse durch. Die Wissenschaftler werteten Daten aus 13 Studien zu Händigkeit und Lateralisierung bestimmter Hirnregionen und -funktionen aus und kamen zu dem Schluss: Zwar sind Männer häufiger Linkshänder als Frauen. Francks war nicht überzeugt. Er vermutete nach wie vor, dass es feine Unterscheide zwischen den Geschlechtern geben müsste. Gemeinsam mit dem Doktoranden Tulio Guadalupe entschied er sich daher, selbst nochmals nachzuforschen. Die beiden Wissenschaftler analysierten Bilder von Hirnscans von mehr als 2300 gesunden Männern und Frauen. Dabei konnten die Wissenschaftler auf Daten zurückgreifen, die Forschergruppen verschiedener Einrichtungen in den Niederlanden im Rahmen der Brain Imaging Genetics-Studie seit 2007 gesammelt hatten, sowie auf Daten einer deutschen Langzeitstudie zur Gesundheit. Francks und Guadalupe konzentrierten sich bei ihrer Untersuchung auf das Planum temporale - eine Hirnregion, die bereits seine Kollegen aus Utrecht bei ihrer Metaanalyse im Visier hatten.
Das Planum temporale und seine Bedeutung für Sprache
Das Planum temporale sitzt auf beiden Seiten des Gehirns im Schläfenlappen und wird mit der Verarbeitung von Sprache und Musik, aber auch mit dem absoluten Gehör in Verbindung gebracht. Bei rund 90 Prozent der Bevölkerung ist es links stärker ausgeprägt und kann dort bis zu fünf Mal größer sein als sein rechtes Gegenstück. Außerdem sehen Forscher einen Zusammenhang zwischen mangelnder Linksasymmetrie des Planum temporale und Dyslexie. Francks und sein Mitarbeiter vermaßen das Planum temporale mit Hilfe sehr exakter Methoden zur Volumenbestimmung von Hirnarealen. Als die Forscher schließlich die zur Verfügung stehenden Daten ausgewertet hatten, war klar: Es gibt sehr wohl einen Unterschied zwischen Männern und Frauen - zumindest im Planum temporale. Francks’ Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Region im weiblichen Gehirn weniger stark lateralisiert ist als bei Männern. Nun darf man aus diesem Ergebnis nicht schließen, Frauen seinen deswegen die schwächeren Leserinnen. „Dem ist nicht so“, betont Francks.
Der Einfluss von Steroidhormonen auf die Lateralisierung
Mit der reinen Bestandsaufnahme war Francks noch nicht zufrieden - schließlich geht es ihm bei seiner Arbeit vorrangig darum, die Mechanismen der Lateralisierung zu entschlüsseln. Daher werteten er und Guadalupe im nächsten Schritt die genetischen Daten aus, die ihm zu seinen Probanden zur Verfügung standen. Die Forscher konzentrierten sich auf die Suche nach sogenannten Single Nukleotid Polymorphisms, kurz SNPs. Das interessante Ergebnis: Die Forscher fanden im Zusammenhang mit der Ausprägung der Linksasymmetrie im Planum temporale besonders viele SNPs in Genen, die am Steroidhormon-Stoffwechsel beteiligt sind, also unter anderem bei der Synthese männlicher und weiblicher Geschlechtshormone. Und tatsächlich scheint sich die Funktion der Steroidhormone sowohl bei Männern als auch bei Frauen auf die Lateralisierung des Planum temporale auszuwirken. Welche Rolle Steroidhormone letztlich für die Lese- und Sprachfähigkeit spielen, ist aber noch ungeklärt.
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Die Komplexität der genetischen Einflüsse
Vieles, was Clyde Francks mit seinem Team in Nijmegen macht, scheint auf den ersten Blick fast simpel: Man pickt sich eine prominente, asymmetrisch ausgeprägte Region im Gehirn heraus und prüft dann ob es Genvariationen gibt, die diese erklären können. Doch ganz so einfach ist die Sache nicht. Vielmehr gleicht die Fahndung nach den genetischen Ursachen für die Lateralisierung der berühmten Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Das zeigte sich etwa, als die Forscher die sogenannte Heschel‘sche Querwindung unter die Lupe nahmen. Diese Hirnregion befindet sich in beiden Gehirnhälften im Schläfenlappen, sie beherbergt das primäre Hörzentrum und ist wichtig für das Sprachverständnis. Die Heschel‘sche Querwindung ist nicht nur bei den meisten Menschen in der linken Hirnhälfte stärker ausgeprägt. Ihre Form variiert auch stark zwischen einzelnen Individuen - anatomische Besonderheiten, die in gewissem Maße vererbt sein müssen.
Die Suche nach Genen für Händigkeit
Ähnlich ernüchternd verläuft derzeit die Suche nach weiteren Genen für die Händigkeit. Erst im letzten Jahr hatten die Nijmegener Forscher das Genmaterial von 17 Mitgliedern einer Familie aus Pakistan analysiert, in der sich auffallend viele Linkshänder finden. „Das sind eigentlich die besten Voraussetzungen, um genetische Ursachen für dieses Phänomen auszumachen“, sagt Tulya Kavaklioglu, die Doktorandin, die in Francks Team mit diesem Thema betraut ist. Was für die Doktorandin frustrierend ist, bedeutet eine wichtige Erkenntnis für das Forschungsfeld. Der scheinbare Misserfolg unterstreicht, wie komplex und vielfältig die genetischen Einflüsse sein müssen, die am Ende dazu führen, dass eine bestimmte Gehirnregion bei manchen Menschen stärker lateralisiert ist als bei anderen oder dass einzelne Individuen die linke Hand der rechten vorziehen.
Die Rolle von Genvarianten und epigenetischen Mechanismen
„Wir können sehr sicher sein, dass es nicht eine einzelne Genvariationen ist, die über die Händigkeit oder die Asymmetrie des Gehirns entscheidet“, betont Clyde Francks. Vielmehr scheint eine Vielzahl von Variationen im Genom letztlich zu der anatomischen Ausprägung zu führen, die Forscher in ihren Hirnscans sehen oder schlicht in Form der bevorzugten Hand ihrer Probanden. Das ist ähnlich wie bei der Körpergröße, der Augenfarbe oder dem individuellen Gewicht: Auch hier beeinflussen unzählige SNPs und andere Formen von Veränderungen im Genom den Phänotyp, also das Erscheinungsbild. Dazu kommen sogenannte epigenetische Mechanismen, Modifikationen der DNA, die beeinflussen, ob und wie stark ein bestimmtes Gen oder eine bestimmte Variation überhaupt zum Tragen kommt. Einen solchen Effekt machte Francks’ Team 2014 im LRRTM1-Gen aus, dem Gen, das Francks zu seiner Zeit in Oxford mit dem Hang Linkshändigkeit in Verbindung brachte - zumindest dann, wenn LRRTM1 hypomethyliert ist, also gegenüber dem „gesunden“ Zustand zu wenige Methylgruppen trägt.
Die Bedeutung großer Probandengruppen
Das alles macht auch deutlich: Wer nach genetischen Ursachen für die Asymmetrie in Gehirn und Verhalten fahndet, braucht nicht nur einen langen Atem, sondern vor allem eine hohe Zahl an Testpersonen. Denn nur so lassen sich auch feine Effekte ausmachen. Zu diesem Zweck haben sich in den letzten Jahren große Forschungsverbünde gegründet, so etwa das internationale Konsortium ENIGMA (Enhancing Neuro Imaging Genetics through Meta-Analysis), das sich zum Ziel gesetzt hat, Daten aus bildgebenden Verfahren und genetischen Untersuchungen zu bündeln, um so mit sehr großen Probandengruppen zu einem besseren Verständnis des Gehirns und seiner Funktion zu gelangen.
Die Relevanz der Forschung zur Gehirnlateralisierung
Man mag sich an dieser Stelle vielleicht fragen, warum die Nijmegener Forscher überhaupt den ganzen Aufwand betreiben, nur um ein paar feine genetische Spuren auszumachen, die winzige Beiträge zur individuellen Gehirnanatomie leisten. Ist es wirklich wichtig zu wissen, warum die Heschel‘sche Querwindung bei einem Menschen so und beim anderen ein wenig anders ausgeprägt ist? „Uns geht es darum, die grundlegenden genetischen und molekularbiologischen Prinzipien zu verstehen, die zur Lateralisierung des Gehirns führen“, sagt Francks. Denn auch Krankheiten wie die Schizophrenie scheinen im Zusammenhang mit unzureichender Gehirnlateralisierung zu stehen. Und Abweichungen in der Asymmetrie bestimmter Strukturen tief im Inneren des Großhirns spielen offensichtlich eine Rolle für die Hyperaktivität bei Kindern. „Wenn wir die Mechanismen verstehen, wie die Asymmetrie entsteht, können wir im nächsten Schritt untersuchen, an welcher Stelle etwas schief läuft, wenn die Lateralisierung gestört ist,“ so Francks.
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Aphasie und die Rolle der rechten Gehirnhälfte
Es gibt keinen eindeutigen Zusammenhang zwischen Rechts- bzw. Linkshändigkeit und der Verteilung anderer Funktionen im menschlichen Gehirn. Die Aphasie, eine Sprachstörung, kann nach zerebro-vaskulären Ereignissen und bei neurodegenerativen Erkrankungen auftreten. Der Begriff ist gut begründet. Die Ähnlichkeiten und charakteristischen Begleitstörungen sprechen zwar für eine begriffliche Trennung. Die Mechanismen und die Lokalisation der Schädigung im Gehirn und die klinischen Besonderheiten sollten aber ausreichend abgrenzbar bleiben. Daher wird der umfassende Begriff Aphasie vorgeschlagen.
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