Das Montreal Neurological Institute: Forschung, Gedächtnis und das menschliche Gehirn

Einführung

Das Montreal Neurological Institute (MNI) ist eine weltweit anerkannte Institution für neurowissenschaftliche Forschung. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte des MNI, von seiner Zusammenarbeit mit anderen internationalen Instituten bis hin zu seinen Beiträgen zum Verständnis des menschlichen Gehirns, insbesondere im Bereich des Gedächtnisses. Dabei wird auch auf den berühmten Fall von Henry Gustav Molaison, bekannt als "HM", eingegangen, dessen Fall das Verständnis des Gedächtnisses revolutionierte.

Translationale Neurowissenschaften und interinstitutionelle Zusammenarbeit

Das Institut für Translationale Neurowissenschaften an der Medizinischen Fakultät der Universität Münster widmet sich der Entwicklung neuer diagnostischer und therapeutischer Strategien für Erkrankungen des Nervensystems. Dieser "Bench-to-Bedside"-Ansatz baut auf molekularer Forschung auf, die in den letzten 30 Jahren betrieben wurde und den Weg für die Bewertung neuartiger therapeutischer Strategien am Menschen ebnete. Es verfolgt die Idee, dass die Neurowissenschaften eine Disziplin sind, die das Verständnis menschlicher Krankheiten und schließlich deren Heilung ermöglicht, anstatt den Menschen selbst zu erklären. Translation definiert das Ziel der Grundlagenforschung, den Patienten.

Die experimentellen Studien werden in enger Zusammenarbeit mit dem Anatomischen Institut der Universität zu Köln (Direktor: Prof. Dr. med. Johannes Vogt) durchgeführt, während die klinischen Studien in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Translationale Psychiatrie der Universität Münster (Direktor: Prof. Dr. med. Dr. phil. Udo Dannlowski) durchgeführt werden.

Neben der translationalen Forschung werden auch philosophische Aspekte der Geist-Körper-Debatte behandelt und ein Schwerpunkt der Lehrtätigkeit des Instituts gelegt. Die immer wiederkehrenden Versuche der Neurowissenschaften, alle mentalen Phänomene allein durch physikalische Begriffe zu erklären, werden durch kritische Neubewertung klassischer Konzepte revidiert, z. B. Wilder Penfields "Speicher der Erinnerungen". Unsere Analysen stellen die Idee einer Realisierung von Gedächtnis in rein naturalistischen Begriffen in Frage. Diese Studien werden teilweise am Montreal Neurological Institute (Prof. Dr. Richard Leblanc, Prof. Dr. Jack Antel), Quebec, Kanada, und in enger Zusammenarbeit mit Prof. Dr. med. Frank Stahnisch am Hotchkiss Brain Institute, University of Calgary, Alberta, Kanada, durchgeführt.

Der Fall H.M.: Ein Fenster zum Gedächtnis

Einer der berühmtesten Patienten der Hirnforschung ist Henry Gustav Molaison, bekannt unter seinen Initialien HM als „Der Mann ohne Gedächtnis“. Bei einer Operation, die HMs Epilepsie lindern sollte, wurde beidseitig fast komplett der Hippocampus entfernt, eine kleine Struktur, die jedoch für das Einspeisen neuer Erinnerungen von zentraler Bedeutung ist. Die Folge war eine anterograde Amnesie: HM konnte sich Neue Informationen nicht mehr merken und blieb dadurch mental in der seiner Vergangenheit vor der Operation gefangen.

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Am 1. September 1953, im Alter von 27 Jahren, wurde Henry Gustav Molaison im Krankenhaus von Hartford in Connecticut betäubt. Dann bohrte der Neurochirurg Wilbur Beecher Scoville zwei Löcher in den Schädel seines Patienten und entfernte auf beiden Seiten des Gehirns ein Stück des Schläfenlappens. Es war eine Operation, die Molaison weltberühmt machen sollte, weil er damit sein Gedächtnis und seine Identität verlor. Der Grund für den Eingriff war eine schwere Epilepsie gewesen, unter der Molaison litt, seit er ein Kind war. Vielleicht war die Ursache ein Unfall, den Molaison im Alter von sieben Jahren hatte. Damals stieß er mit einem Fahrradfahrer zusammen und war einige Minuten bewusstlos. Vielleicht waren es aber auch die Gene. Der junge Henry Molaison unterzog sich einer Hirnoperation, um seine schwere Epilepsie zu lindern, und erlitt schwere irreparable Gedächtnisverluste. Was immer der Grund war, Medikamente halfen dem jungen Henry nicht. Stattdessen wurden die Anfälle schlimmer. Immer häufiger und heftiger trafen Henry die Attacken: Sein ganzer Körper krampfte dann, er biss sich auf die Zunge, verlor die Kontrolle über seine Blase und fiel schließlich in Ohnmacht.

Als Molaison wegen der Anfälle nicht mehr arbeiten konnte, entschied er, sich am Gehirn operieren zu lassen. Der Chirurg Scoville hatte das schon bei anderen Patienten gemacht, aber das Vorgehen war, wie er selbst sagte, „experimentell“. Tatsächlich wurden die epileptischen Anfälle nach dem Eingriff seltener, aber Henry Molaison zahlte einen furchtbaren Preis: Er litt fortan unter einer anterograden Amnesie. Das bedeutet: Er konnte keine neuen Erinnerungen mehr abspeichern. Er wusste nicht, warum er im Krankenhaus war, und wenn es ihm gesagt wurde, hatte er es bald wieder vergessen. Zehn Minuten nach dem Mittagessen konnte er nicht mehr sagen, was er gerade zu sich genommen hatte. Er wusste nicht einmal mehr, dass er überhaupt gegessen hatte.

Als Scoville und die kanadische Psychologin Brenda Milner ihre Beobachtungen zu Molaison 1957 im Fachblatt „Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry“ veröffentlichten, wurde er zum „Fall H.M.“ - und zu einem der berühmtesten und wichtigsten Studienobjekte in der Geschichte der Psychologie. Die Arbeit ist in der Fachliteratur hundertfach zitiert worden und wird es heute noch. Denn zu den weithin akzeptierten Vorstellungen des Gedächtnisses gehörte damals, dass es im Gehirn nicht einen einzelnen Ort gibt, an dem Erinnerungen abgelegt werden. Der amerikanische Forscher Karl Lashley hatte in den 30er und 40er Jahren auf der Suche nach dem Sitz der Erinnerungen Teile des Gehirns bei Ratten entfernt. Aber egal welches Stück Lashley den Ratten nahm, das Gedächtnis schien unversehrt. Er schloss daraus, dass Erinnerungen im Gehirn weit verteilt abgespeichert werden.

Die Erfahrung mit H.M. widersprach dieser Annahme. Schließlich waren die Stücke, die Scoville seinem Patienten entfernt hatte, verhältnismäßig klein, die Konsequenzen aber verheerend. Wie verheerend, das sollte sich in den folgenden Jahrzehnten immer wieder zeigen. H.M. konnte sich an seine eigene Vergangenheit, an den Zweiten Weltkrieg, an das Haus seiner Eltern erinnern, aber er war in dieser Vergangenheit auch gefangen. Selbst Jahrzehnte später antwortete er auf die Frage, welches Jahr es sei: „1953“. H.M. glaubte, er sei 27 Jahre alt. Wenn er in den Spiegel guckte, blickte ihn ein viel zu alter Mann an. Als H.M. mitgeteilt wurde, dass sein Onkel gestorben sei, war er darüber sehr traurig. Wenig später hatte er die Nachricht aber wieder vergessen. Als er nach seinem Onkel fragte und hörte, der sei gestorben, machte ihn das wieder sehr traurig.

Offenbar hatte Karl Lashley bei seinen Studien am falschen Ort gesucht. In seinen Rattenexperimenten hatte er stets Teile der Hirnrinde, also der äußersten Schicht des Gehirns entfernt. Dieses Hirnareal ist in der Entwicklungsgeschichte des Gehirns das jüngste, alle anderen hielt Lashley für zu primitiv. H.M. fehlte es aber nicht an Hirnrinde, Scoville hatte einen Teil des Mandelkerns, der Amygdala, entfernt und fast den gesamten Hippocampus. Diese Region an der Innenseite der Schläfenlappen war offenbar entscheidend für das Formen neuer Erinnerungen. Das zeigte sich auch in Tierversuchen. „Nach den Erfahrungen mit H.M. sind tausende Untersuchungen an Ratten und anderen Tieren gemacht worden“, sagt Markowitsch. Sie alle zeigten dasselbe: Wird der Hippocampus beschädigt, beeinträchtigt das die Fähigkeit, neue Erinnerungen abzuspeichern. Buschhäher finden das Essen, das sie versteckt haben, nicht wieder und Ratten finden sich in Labyrinthen nicht mehr zurecht.

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Eine weitere Merkwürdigkeit im Fall H.M: Ihm fehlte zwar das Langzeitgedächtnis, aber für ein paar Sekunden konnte er sich alles merken. Viele Versuche haben gezeigt, dass sein Kurzzeitgedächtnis in etwa so gut funktionierte wie das eines gesunden Menschen. Telefonnummern oder Wortlisten etwa konnte H.M. sich kurze Zeit merken, wurde er aber nach ein paar Minuten oder Stunden noch einmal gefragt, hatte er sie vergessen. „H.M. war der Paradefall, der gezeigt hat, dass der Hippocampus zentral ist für die Übertragung vom Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis“, sagt Markowitsch. Was auf lange Zeit abrufbar bleiben soll, das muss offenbar durch das Nadelöhr des Hippocampus.

Die Psychologin Brenda Milner arbeitete jahrelang mit H.M. Ein Schnitt durch das Gehirn von Patient H.M. Aber H.M. hat nicht nur gezeigt, wie bedeutend der Hippocampus ist. Der Fall machte auch deutlich, dass das Gedächtnis aus verschiedenen Modulen besteht. In einem berühmten Experiment gab Brenda Milner H.M. eine Geschicklichkeitsaufgabe. Zwischen zwei ineinander geschachtelten Sternen sollte er den Umriss eines dritten Sterns zeichnen, durfte seine Hand und das Papier dabei aber nur in einem Spiegel beobachten. Obwohl H.M. sich nie daran erinnern konnte, diese Aufgabe schon einmal geübt zu haben, wurde er von Mal zu Mal besser. Einmal sagte er sogar erstaunt, er habe sich die Aufgabe schwerer vorgestellt.

Manchmal überraschte H.M. die Forscher mit anderen Erinnerungen, etwa wichtiger Persönlichkeiten, die erst nach seiner Operation berühmt wurden. So konnte er auf Nachfrage den Initialen JFK den Namen John F. Kennedy zuordnen - und wusste, dass er 1963 ermordet wurde. Und „Bob Dy…“ konnte er zu „Bob Dylan“ vervollständigen, obwohl der Musiker erst in den 60ern bekannt wurde. H.M. dürfte einer der am besten untersuchten Menschen aller Zeiten sein und trotzdem ist bis heute unklar, woher diese Erinnerungen kamen. „Die Tatsache, dass er sich überhaupt irgendetwas merken kann, reicht aus, um einen Wissenschaftler völlig umzuhauen“, sagt die Neurowissenschaftlerin Suzanne Corkin vom Massachusetts Institute of Technology, die von 1962 an bis kurz vor seinem Tod mit ihm arbeitete. Damit zeigte sich eindrucksvoll, dass das Gedächtnis aus verschiedenen Modulen besteht, die an unterschiedlichen Orten im Gehirn abgespeichert werden.

Dass H.M.s Verletzung Wissenschaftlern so geholfen hat, das Gedächtnis besser zu verstehen, scheint H.M. ein Trost gewesen zu sein. „Was Scoville über mich gelernt hat, das hat auch anderen Menschen geholfen - und darüber bin ich froh“, habe er einmal gesagt, schreibt Corkin. Überhaupt sei er ein sehr angenehmer Mensch gewesen. „Er war freundlich und hatte einen guten Sinn für Humor.“ Obwohl H.M. sie über Jahrzehnte immer und immer wieder sah, hatte er höchstens ein vages Gefühl, sie zu kennen. „Manchmal sagte er, ich käme ihm bekannt vor, so als sei ich mit ihm zur Schule gegangen“, sagte Corkin.

Molaison starb am 2. Dezember 2008 in einem Altersheim in Connecticut. Sein Leichnam wurde sofort ins Massachusetts General Hospital in Charlestown gebracht, wo Forscher unter anderem des Brain Observatory in San Diego die Nacht durcharbeiteten, um Gehirnscans anzufertigen und H.M.s Gehirn für die Nachwelt zu erhalten.

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Prof. Dr. med. Besonderer Beitrag zur Epilepsieforschung

Prof. Dr. med. ist Abteilungsleiter des Epilepsiezentrums am Neurozentrum des Universitätsklinikum Freiburg und Arzt für Neurologie, APL-Professor für Neurologie und Klinische Neurophysiologie. Er habilitierte 2004 an der Universität Freiburg und promovierte 1998 an der Universität Münster. Sein Studium der Humanmedizin absolvierte er von 1981-1987 an der Universität Münster.

Seine wissenschaftliche Laufbahn begann 1998 mit dem Aufbau und der Leitung des Epilepsiezentrums am Universitätsklinikum Freiburg, das derzeit das größte universitäre epilepsiechirurgische Programm in Deutschland hat. Ebenfalls 1998 absolvierte er Studienaufenthalte am Montreal Neurological Institute (Kanada) und am Department of Epileptology, Cleveland Foundation (USA). Von 1996-1998 war er Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Oberarzt an der Klinik für Epileptologie der Universität Bonn. Davor war er von 1995-1996 Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Abteilung klinische Psychiatrie und Psychotherapie der Medizinischen Hochschule Hannover (Leiter: Prof. Dr. H.E. Emrich) und von 1992-1995 Assistenzarzt an der Klinik für Neurologie der Städt. Kliniken Kassel (Leiter: Prof. Dr. A. Ferbert). Seine Laufbahn begann er als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Experimentelle Epilepsieforschung der Universität Münster (Direktor: Prof. Dr. E.-J. Speckmann) von 1990-1992 und als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Anatomie der Universität Münster (Direktor: Prof. Dr. W. Wittkowski) von 1988-1990.

Als Leiter des Epilepsiezentrums am Universitätsklinikum Freiburg, Mitglied des Vorstandes/der Nutzerkommission des Neurozentrums, des Vorstandes des Bernstein Center für Computational Neuroscience Freiburg (2004-2009) und des Vorstandes des Süddeutschen Brain Imaging Institute (2004-2006) übte er leitende Tätigkeiten aus. Er war Prüfarzt in mehr als 25 pharmakologischen Multicenterstudien der Phasen II-IV, zweimalig als Koordinator für Deutschland sowie in Studien zur Vagusnervstimulation und tiefen Hirnstimulation. Er ist Mitherausgeber der Zeitschriften "Epilepsia", „Seizure“, „Frontiers in Epilepsy“, „Epilepsy Research and Treatment“ und „Zeitschrift für Epileptologie“ und Mitglied in verschiedenen Fachgesellschaften.

Seine Forschungsschwerpunkte umfassen die elektrophysiologische und bildgebende Diagnostik und Therapie bei Patienten mit fokalen Epilepsien, Corticale Dysplasien und klinische Korrelate, Stereotaktische Behandlungsverfahren behandelbarer Epilepsien, den Einsatz von Stimulationsverfahren zur Epilepsiebehandlung, Anfallsprädiktion basierend auf EEG-Zeitreihenanalysen, elektrophysiologische Korrelate kognitiver Leistungen, die Entwicklung von Brain-Computer-Interfaces und das ambulante Monitoring von Epilepsiepatienten. Er ist Projektleiterin nationalen und internationalen Studien, u.a. im Exzellenzcluster BrainLinks-BrainTools der Universität Freiburg, des NIH-BMBF-Verbundprojekts „Integration of bottom-up and top-down signals in visual recognition“ mit G. Kreiman (Harvard University, USA), des EU-Projekts „Evolving Platforms to improve Living Expectations of People sufffering from ictal events“, des EU-Projekts "Remote Assessment of Disease and Relapse (RADAR)", der Europäischen multizentrischen Studie zur Tiefenhirnstimulation des Hippocampus „Controlled Randomized Stimulation Versus Resection” mitP. Boon (Gent,Belgien) und des NIH-geförderten Forschungsprojekts „Human Spatial Navigation“ in einem Forschungsverbund mit M. Kahana (Univ. Pennsylvania, USA). Seine Publikationstätigkeit umfasst > 300 Originalarbeiten in Peer reviewed Journals, zusätzlich Übersichtsartikel, Buchartikel, Buchherausgabe und Vorträge.

Hirnatlanten und 3D-Modelle

Das Gehirn ist eines der komplexesten Systeme überhaupt und ein sehr faszinierendes Objekt unserer Forschung. Zusammen mit dem Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) am Forschungszentrum Jülich beteiligen wir uns an der Entwicklung von 3D-Modellen und Atlanten des menschlichen Gehirns, die Zytoarchitektonik, Konnektivität, molekulare Organisation sowie Genetik und Gehirnfunktion berücksichtigen. Unser Ziel ist die vollständige zytoarchitektonische Kartierung und Analyse der menschlichen Hirnrinde und ihrer tieferen Kerngebiete. Mit der neuen 3D-Polarisationslichtmikroskopie ist es möglich, die strukturelle Konnektivität und die Faserarchitektur des Gehirns mit einer unglaublichen Auflösung im Mikrometerbereich zu untersuchen. Darüber hinaus liefert die Untersuchung von Neurotransmitterrezeptoren und -transmittern die molekulare Grundlage für Struktur-Funktions-Beziehungen im Gehirn.

In Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich und dem Montreal Neurological Institute (MNI) der McGill University wurde ein 3D-Modell eines menschlichen Gehirns in extrem hoher Auflösung entwickelt (basierend auf 7.404 digitalisierten histologischen Schnitten). Das sogenannte BigBrain-Modell des Helmholtz International Lab HIBALL ist ein freies Werkzeug und bietet einzigartige neuroanatomische Einblicke. Wir stellen unsere Gehirnkarten der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung. Sie sind Teil des HBP Human Brain Atlas und können über die Anatomy Toolbox mit funktionellen neuronalen Bildgebungsdaten zusammengeführt werden.

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