Die Gehirnforschung hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht und ermöglicht uns immer tiefere Einblicke in die Funktionsweise unseres komplexesten Organs. Psychologen, Mediziner und Biologen arbeiten gemeinsam daran, die Rätsel des menschlichen Gehirns zu entschlüsseln. Obwohl wir bereits viel über die Kommunikation der Nervenzellen, Sprach- und Sehzentren sowie die Motorik wissen, gibt es noch viele offene Fragen, insbesondere darüber, wie und wo genau der Mensch lernt.
Die Funktionsweise des Gehirns
Rezeptive Felder und räumliche Informationen
Das Gehirn nutzt Gruppen von Nervenzellen, sogenannte rezeptive Felder, die jeweils auf spezifische Merkmale reagieren. Eine Studie hat gezeigt, dass selbst kleine Veränderungen im Blutfluss im Bereich von 1 bis 2 Millimetern im visuellen Cortex festgestellt werden können, wenn die Tiefe eines Objekts verändert wird. Diese Erkenntnisse liefern wichtige Hinweise für die Diagnose und mögliche Behandlung zentraler Sehstörungen, die nicht im Auge selbst, sondern im Gehirn entstehen. Wissenschaftler können nun sehr genau verfolgen, wie das Gehirn räumliche Informationen verarbeitet.
Bewusstes und unbewusstes Lernen
Eine aktuelle Forschungsfrage beschäftigt sich damit, ob tatsächlich unabhängige kognitive Systeme für bewusstes und unbewusstes Lernen zuständig sind. Forscher vermuten, dass in den Regionen für Wahrnehmung und Motorik beides am gleichen Ort möglich ist.
Der Sitz der Liebe
Eine Arbeitsgruppe um den Schweizer Neurobiologen Andreas Bartels hat im Zusammenspiel der Neuronen sogar den Sitz der Liebe entdeckt: Vor allem in den Regionen des Gehirns, die auch auf Kokain anspringen, feuerten die Neuronen wie wild.
Gedankenlesen im visuellen Cortex
Im vergangenen Jahr gelang es kalifornischen Wissenschaftlern, regelrecht in den Gedanken ihrer Probanden zu lesen. Sie erkannten im visuellen Cortex des Gehirns, welche Bilder die Versuchspersonen zuvor gesehen hatten.
Lesen Sie auch: Faszination Nesseltiere: Wie sie ohne Gehirn leben
Untersuchungsmethoden in der Gehirnforschung
Funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT)
Die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) ist eine der wichtigsten Methoden, um dem Gehirn beim Denken zuzusehen. Dabei werden Änderungen des Sauerstoffgehalts des Blutes erfasst und so indirekt die Aktivität des Gehirns ermittelt. Der Vorteil ist eine präzise Aussage, wo im Gehirn die Aktivität auftritt.
Magnetenzephalographie (MEG)
Die Magnetenzephalographie (MEG) spürt schwache Magnetfelder auf, die von aktiven Nervenzellen ausgehen. Mit ihr lassen sich elektrische Signale zwischen Zellen registrieren. Der Vorteil: Auch blitzschnelle Hirnvorgänge werden erfasst.
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) zeigt die Regionen des Gehirns, die bei bestimmten Aufgaben aktiv werden. Mit der PET werden Stoffwechselvorgänge, wie Durchblutung, Sauerstoff- oder Zuckerverbrauch des arbeitenden Gehirns sichtbar gemacht.
Single-Photon-Emissions-Computertomographie (SPECT)
Die Single-Photon-Emissions-Computertomographie wird zur Messung des Blutflusses im Gehirn genutzt. Dabei werden radioaktiv markierte Substanzen in die Blutbahn des Patienten injiziert, die sich in bestimmten Hirnbereichen anreichern.
3D-Elektronenmikroskopie
Das Göttinger Exzellenzcluster und DFG-Forschungszentrum für Mikroskopie im Nanometerbereich und Molekularphysiologie des Gehirns (CNMPB) der Universitätsmedizin Göttingen haben gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin ein Rasterelektronenmikroskop mit fokussiertem Ionenstrahl in Betrieb genommen. Das hochmoderne Zeiss Crossbeam 450 Mikroskop verbindet zwei Techniken zur Aufnahme hochauflösender Bilder: die Rasterelektronenmikroskopie und eine Ionenfeinstrahlanlage zur Oberflächenanalyse und -verarbeitung. Die Kombination beider Verfahren ermöglicht die dreidimensionale Darstellung kleinster Strukturen bis hin zu Vesikeln innerhalb einer Synapse in hoher Auflösung.
Lesen Sie auch: Lesen Sie mehr über die neuesten Fortschritte in der Neurowissenschaft.
Um eine dreidimensionale Abbildung kleinster Strukturen zu erreichen, müssen Ansichten feinster Schichten einer Gewebeprobe abgebildet und die Bildinformationen anschließend die einem dreidimensionalen Struktur rekonstruiert werden. Mittels Rasterelektronenmikroskopie wird dafür zunächst ein Elektronenstrahl über die Oberfläche eines Objekts geführt (gerastert), um ein Abbild der Oberfläche zu erzeugen. Anschließend kommt ein Ionenstrahl aus Gallium-Ionen zum Einsatz. Mit ihm lässt sich ein Objekt wie ein Werkstück mit einem sehr feinen Skalpell bearbeiten. Durch die Kombination beider Techniken wird nach jedem Bearbeitungsschritt Oberflächenmaterial abgetragen und das Objekt erneut erfasst. Auf diese Weise können dreidimensionale Detailbilder rekonstruiert und zu einem komplexen Abbild in hoher Auflösung zusammengefasst werden.
Damit das Abtragen feinster Schichten von den Gewebeproben gelingt, wird das Gewebe zunächst mit Schwermetallen imprägniert („Kontrastierung“) und in Plastik eingebettet. Im Elektronenmikroskop muss dann mit dem fokussierten Ionenstrahl eine glatte Front in den Gewebeblock geschnitten werden. Die Zellstrukturen werden sichtbar, weil sich unterschiedlich viel Schwermetall im Gewebe einlagert. So entsteht ein Bild aus Hell-Dunkel-Kontrasten, wenn der Elektronenstrahl gestreut wird. Ist ein Bild erzeugt, wird mit dem Ionenstrahl eine dünne Schicht vom Gewebeblock abgetragen und ein weiteres Bild des darunter liegenden Gewebeabschnitts erzeugt. Durch kontinuierliche Wiederholung dieses Vorgangs („serial block-face imaging“) entsteht über viele Stunden eine Serie von Bildern. Auf deren Grundlage kann anschließend am Computer eine dreidimensionale Rekonstruktion der Gewebeprobe erzeugt werden. Die Besonderheit der Ionenstrahl-basierten Technik besteht darin, dass vom Gewebeblock Material in unvorstellbar kleinen Schritten von nur 5 nm abgetragen werden kann.
Gehirnaktivität und Belohnungssystem
Dopamin und Glücksgefühle
Dopamin ist ein wichtiger Botenstoff des Nervensystems, der im Belohnungssystem eine zentrale Rolle spielt. Eine Studie hat untersucht, wie gut sich Dopaminausschüttungen im Kernspintomografen messen lassen. Die Ergebnisse zeigten, dass die messbaren Effekte des Dopamins trotz des hohen Belohnungswertes der Stimulation sehr klein waren. Die den Glücksgefühlen zugrundeliegende Freisetzung des Dopamins ist nicht direkt im Kernspintomografen messbar, sondern die Gesamtaktivierung des Hirnareals liefert die Signale.
Neuronale Schaltkreise und Verhalten
Um die Funktion des Gehirns zu verstehen, ist es ideal, wenn man ihm direkt bei der Arbeit zusehen kann. Mit Trackingmikroskopen kann man beobachten, was in den kleinen Gehirnen von Zebrafischen vor sich geht, während die Tiere ungehindert herumschwimmen. So kann man untersuchen, welche neuronalen Schaltkreise aktiv sind, wenn die Fische eine neue Umgebung erkunden, welche Neuronen aufleuchten, wenn sie sich an Vertrautes erinnern, wie die Tiere nach Nahrung suchen und was im Gehirn passiert, wenn die Suche erfolgreich ist.
Kognitive Kontrolle und neuronale Netzwerke
Ein Forschungsteam hat eine neue Theorie darüber vorgelegt, wie unser Gehirn in einer Welt mit ständig wechselnden Anforderungen die Kontrolle über Entscheidungen und unser Verhalten behält. Die Neuropsychologen gehen davon aus, dass das Gehirn sogenannte latente Abstraktionen nutzt, um Informationen je nach Situation neu zu organisieren. Diese Abstraktionen wirken wie gedankliche Karten, die das Gehirn fortlaufend aktualisiert, sobald sich die Umgebung verändert. Inspiriert ist dieser Ansatz von so genannten rekurrenten neuronalen Netzwerken der künstlichen Intelligenz. Diese Netzwerke besitzen Schleifen, die frühere Informationen im System fortwirken lassen, also eine Art künstliches Kurzzeitgedächtnis.
Lesen Sie auch: Tinnitus und Gehirnaktivität: Ein detaillierter Einblick
Um ihre neue Theorie der kognitiven Kontrolle zu testen, verbindet das Forschungsteam Daten aus dem Labor mit Modellen künstlicher Intelligenz. Zunächst werten sie EEG-Aufnahmen von mehr als 1.300 Personen aus, die eine klassische Reiz-Konflikt-Aufgabe bearbeitet haben. Parallel dazu lernen künstliche Netzwerke, dieselbe Aufgabe zu lösen. Durch den direkten Vergleich wollen die Forscher sichtbar machen, welche „inneren Rechnungen“ Mensch und Modell gemeinsam haben. Im letzten Schritt gehen sie buchstäblich ins Gehirn hinein: Mit einer gezielten Ultraschallsimulation beeinflussen sie vorübergehend die Aktivität im posterioren medialen Frontalkortex, jener Hirnregion, die Fehler erkennt und Verhalten anpasst.
Aphantasie: Wenn Bilder im Kopf fehlen
Die neurologischen Grundlagen der Aphantasie sind bisher kaum erforscht. Wissenschaftler beginnen gerade erst zu verstehen, was bei Menschen ohne Bilder im Kopf im Gehirn passiert. Eine mögliche Erklärung wäre, dass das Problem auf der obersten Eben liegt, dem Bewusstsein: Haben Menschen mit Aphantasie wirklich das ‚geistige Auge‘ blind ist oder ob sie vielleicht nur Schwierigkeiten haben, sich ihr Innenleben bewusst zu machen?
Das Problem liegt wahrscheinlich tiefer - in den Prozessen, mit denen unser Gehirn Wahrnehmungen erzeugt und rekapituliert. Einige Verknüpfungen der Sehrinde mit übergeordneten Hirnarealen sind deutlich abgeschwächt. Bei Menschen mit Aphantasie ist das Sehzentrum weniger stark mit dem lateralen und medialen präfrontalen Cortex verbunden - und damit mit den Hirnarealen, die als die Kontrolleure und Impulsgeber für die inneren Bilder gelten. Parallel dazu beobachteten die Forscher eine geringere Aktivierung von Teilen des Scheitellappens. Dies könnte darauf hindeuten, dass das Gehirn von Menschen mit Aphantasie intern auch weniger Aufmerksamkeit auf visuelle Areale verteilt.
Gedankenlesen: Eine Zukunftsvision?
Ein Forscherteam in den USA hat eine Technologie entwickelt, die erkennen kann, welchen Buchstaben jemand mit der Hand schreibt. Nicht auf Papier, sondern in der Vorstellung. Der Neurowissenschaftler und Psychologe John-Dylan Haynes ist einer der führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet des Gedankenlesens oder Brain-Reading.
Haynes und seine Kollegen lassen Computer für sich arbeiten. Die werten aus, was bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomographie, kurz MRT, sichtbar machen. Die Gehirne verschiedener Personen sind unglaublich unterschiedlich, also zum Beispiel die Anatomie, die grobe Struktur des Gehirns ist individueller als ein Fingerabdruck. Und deswegen ist auch die Sprache jedes Gehirns unterschiedlich. Deshalb ist der erste Schritt immer, dass der Computer, der die Gedanken auswerten soll, das individuelle Gehirn in Trainingsdurchläufen kennenlernt.
Zum Beispiel, wenn Probanden bestimmte Bilder betrachten im Scanner, können wir mit 100-prozentiger Genauigkeit in bestimmten Fällen feststellen, welches Bild die Person gerade betrachtet. Die Genauigkeit ist besonders dann hoch, wenn wir es mit Sinneswahrnehmungen zu tun haben, wie sehen oder hören. Die meisten Gedanken sind verteilt im Gehirn gespeichert. Das bedeutet auch, dass wir, wenn wir Techniken entwickeln wollen, mit denen wir Gedanken auslesen können, nicht einfach nur an einer Stelle im Gehirn gucken können. Ein Auslesen von Gedanken an einer Stelle - mit einem Implantat oder anderen Techniken, ist deshalb überhaupt nicht möglich.
In Zukunft könnte man in der Situation sein, dass der Proband sagt: 'Nein, ich habe nicht gelogen' und der Algorithmus sagt: 'Doch, du hast gelogen'. Heute können wir dem Computer noch nicht mehr vertrauen als dem Menschen. Die Forschung ist längst noch nicht soweit, wie es der Hype ums Thema Gedankenlesen vermuten lässt. Damit möchten Forscher in Zukunft unter anderem Menschen, die aufgrund einer Lähmung nicht mehr sprechen oder schreiben können, wieder eine Stimme geben.
Probanden in der Gehirnforschung
Sehr häufig stellen sich Studenten für solche psychologischen, medizinischen oder neurobiologischen Untersuchungen zur Verfügung. Acht bis zehn Euro erhalten die Probanden pro Stunde, viele sind von der Hightech-Forschung fasziniert und kommen wieder. Zwar lösen die bunten Bilder aus dem Tomografen kaum das Leib-Seele-Problem. Immerhin bekommen die Versuchspersonen mitunter Schnittbilder des eigenen Gehirns auf CD ausgehändigt. Und wer hat schon die Chance, Einblick zu nehmen in diese allergeheimste Welt im eigenen Körper?
Manche Forscher verpflichten sich, im getesteten Gehirn, in jedem Schnittbild nach Tumoren oder anderen Unregelmäßigkeiten zu fahnden - der Gesundheitscheck ist dann bei einigen Studien inklusive. Gut zu wissen, dass da nichts ist, was dieses monströs wichtige Organ stören könnte.