Die Neurowissenschaften haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und sind von einer reinen Grundlagenwissenschaft zu einem wichtigen Bereich der angewandten Forschung geworden. In Baden-Württemberg gibt es viele Ideengeber an dieser Schnittstelle, und auch die Grundlagenforschung ist hier vielfältig. Das Gehirn ist nach wie vor eines der faszinierendsten und rätselhaftesten Organe des Menschen, und die Forschung auf diesem Gebiet verspricht noch viele Durchbrüche.
Die Entwicklung der Neurowissenschaften
Schon 1881 prägte der deutsche Anatom Heinrich Wilhelm Waldeyer den Begriff „Neuron“ und vermutete in der Nervenzelle die funktionelle Grundeinheit des menschlichen Denkens, Fühlens und Erinnerns. Doch damit begannen erst die Probleme. Heute, rund 130 Jahre später, verstehen Forscher viele Aspekte des Verhaltens von Nervenzellen. Wie aber unser Denkorgan letztlich die komplexen menschlichen Verhaltensweisen, Gemütszustände und kognitiven Fertigkeiten hervorbringt, gehört noch immer zu den größten Rätseln der Menschheitsgeschichte.
Das Feld hat sich in den letzten 20 Jahren enorm aufgefächert und strahlt sowohl in verschiedene Teildisziplinen der Biologie wie auch in die Psychologie, Physik, Chemie, Materialwissenschaft, Philosophie oder Informatik aus.
Baden-Württemberg als Zentrum der Neurowissenschaften
Als Beispiel für die inzwischen auch historische Bedeutung des Landes Baden-Württemberg in der Geschichte der Neurowissenschaften kann etwa der Nobelpreisträger und Erfinder der sogenannten Patch-Clamp-Methode Bert Sakmann gelten, der lange als Direktor des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung in Heidelberg forschte. Das Verfahren, mit Hilfe von zwei Elektroden den Verlauf der Potenzialänderungen an den Membranen einzelner Nervenzellen zu verfolgen, führte zum direkten Nachweis von Ionenkanälen in den Membranen sowie zu genauen Einblicken in die Übertragung von elektrischen Impulsen im Nervengewebe.
Aber auch in der Gegenwart sind WissenschaftlerInnen aus Baden-Württemberg an der Spitze der Forschung zu finden. Heidelberg zum Beispiel ist heute zusammen mit dem benachbarten Mannheim Sitz des Interdisziplinären Zentrums für Neurowissenschaften (IZN), an dem so unterschiedliche Aspekte wie Neurophysiologie, Neurogenetik, Neuroentwicklungsbiologie, Neuroonkologie, Neurologie oder Neuroinformatik untersucht werden. Und auch an anderen Standorten des Bundeslandes wird hervorragende neurowissenschaftliche Forschung betrieben. Einige der Beispiele sind dabei durchaus exotisch: Der Ulmer Neurobiologe Prof. Dr. Harald Wolf zum Beispiel untersucht die neuronalen Mechanismen, die es Wüstenameisen und anderen Insekten erlauben, komplexe Bewegungsabläufe auszuführen und in ihren Lebensräumen zu navigieren - Forschung, deren Ergebnisse auch auf Roboter übertragen werden. Am Zentrum für Neurologie und Hertie-Institut für klinische Hirnforschung des Universitätsklinikums Tübingen versuchen Forscher um Prof. Dr. Dr. Hans-Otto Karnath, die Wahrnehmung von menschlichen Probanden absichtlich durch magnetische Reize zu stören. Sie hoffen, so die Mechanismen zu entschlüsseln, die hinter der räumlichen Orientierung und anderen perzeptuellen Leistungen des Gehirns stehen.
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Klinisches Potenzial und neue Therapieansätze
Die Neurowissenschaften zählen zu den sich am schnellsten entwickelnden Feldern in den Life Sciences. Das hat zum einen damit zu tun, dass hier enormes klinisches Potenzial steckt, denn noch immer sind neurologische Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson oder Multiple Sklerose sowie psychiatrische Störungen wie Depression, Schizophrenie oder Angstzustände nur schwer zu behandeln. Auf der anderen Seite haben die Molekularbiologie oder die Systembiologie - und in ihrem Fahrwasser die Hochdurchsatzmethoden des Drug-Screening - eine Vielzahl von neuen Ansatzpunkten in und um die Nervenzelle ans Tageslicht gefördert, an denen intelligente Medikamente angreifen können. Zu dem haben die Entdeckung der neuronalen Stammzellen sowie die Verfahren zur Herstellung von induzierten pluripotenten Stammzellen (IPPS) etwa aus Hautgewebe ganz neue Ansätze für Regenerationsmediziner enthüllt, die hoffen, eines Tages defektes Nervengewebe in der Petrischale züchten zu können.
Seit Ende der 1990er kommen immer deutlicher auch die systemischen Aspekte des Gehirns in den Fokus, und das hat auch die Politik erkannt. Mit dem Nationalen Bernstein Netzwerk für Computational Neuroscience (NNCN) fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) seit 2004 den größten Verbund für die computerbasierte Neurowissenschaft weltweit und den größten wissenschaftlichen Verbund seiner Art in Deutschland. An den inzwischen sechs Bernsteinzentren für Computational Neuroscience der Bundesrepublik - unter anderem in Freiburg, Heidelberg-Mannheim und Tübingen - wird exzellente Forschung betrieben. Lernen und Gedächtnis, Wahrnehmung von Objekten, Handlungskontrolle und vieles mehr ist nur möglich, weil im Gehirn verschiedene Regionen und Subregionen miteinander interagieren. Milliarden von Nervenzellen im Konzert also. Was sind die Prinzipien hinter der Funktionsweise von neuronalen Netzwerken? Die theoretische Seite der Neurobiologie, die neuronale Netzwerke mathematisch modelliert und im Computer simuliert, hat in den letzten Jahren sehr interessante Prinzipien ans Tageslicht gefördert.
Technische Errungenschaften und ethische Fragen
Und das führte in den letzten zehn Jahren auch immer häufiger zu technischen Errungenschaften. Längst helfen sogenannte Cochlea-Implantate gehörgeschädigten Menschen, die Welt zu hören. Mediziner implantieren schon heute immer häufiger Elektroden ins Gehirn von Parkinsonpatienten, um durch Stimulation die Symptome der Erkrankung zu lindern. Und Menschen, deren Gliedmaßen gelähmt sind oder die unter dem sogenannten Locked-in-Syndrom leiden, können vielleicht schon bald durch reine Gedankenkraft eine Armprothese steuern oder einen Kursor auf einem Computerbildschirm bewegen, um zu kommunizieren.
Ausgehend von Zusammenschlüssen wie der Brain Machine Interfacing Initiative (BMII) schlossen sich in Freiburg Neurowissenschaftler jüngst zu „Brain Links - Brain Tools“ zusammen, einem Verbund, der zu einem Exzellenzcluster ausgebaut werden soll.
Die inzwischen möglichen Eingriffe ins Gehirn und somit in das Zentrum des menschlichen Denkens, Fühlens und Erinnerns bringen aber auch Probleme mit sich. Denn sie berühren den Kern des Menschseins. Wer sind wir, wenn unsere Gefühle und unsere Erinnerungen durch elektrische oder chemische Stimulation verändert werden können? Mit diesen Fragen, die für die Entwicklung unserer Gesellschaft und ihres Menschenbildes enorm wichtig sind, beschäftigen sich Neuroethiker und Philosophen. Eine Frage, die auch Ärzte und Forscher nicht kalt lassen sollte, denn auch sie haben letztlich mit Menschen zu tun.
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Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine Motoneuron-Erkrankung im Fokus
Amyotrophe Lateralsklerose ist seit ein paar Jahren in aller Munde. Muskelschwäche und das Auftreten von Lähmungen ist die Folge. Bei der Amyotrophen Lateralsklerose, kurz ALS, handelt es sich um eine degenerative neurologische Erkrankung. Im Verlauf sterben zunehmend Nervenzellen im Gehirn und dem Rückenmark ab, die für die Muskelaktivierung und -koordination zuständig sind.
Ursachen, Häufigkeit und Verlauf
Bekannt wurde die Erkrankung vor etwa rund 100 Jahren. Seitdem ist die Häufigkeit leicht zunehmend. Weltweit erkranken ein bis zwei Personen von 100.000 an ALS, wobei Männer etwas häufiger betroffen sind als Frauen. Diagnostiziert wird die neurologische Krankheit zumeist im Alter von 50 bis 70 Jahren. Bei jedem 10. Patienten bricht die Krankheit in jungen Jahren aus. Die Amyotrophe Lateralsklerose trifft etwas häufiger Männer als Frauen.
Die wohl bekannteste betroffene Person war der Astrophysiker Stephen Hawking, der im Alter von 21 Jahren sehr früh an einer Sonderform der neurologischen Degenerationskrankheit (sog. juvenile ALS) erkrankte und noch 50 Jahre mit zunehmenden motorischen Einschränkungen lebte. So war er beispielsweise auf einen elektrischen Rollstuhl angewiesen und konnte nur über einen Sprachcomputer kommunizieren.
Die Lebenserwartung von an Amyotrophe Lateralsklerose erkrankten Personen ist aufgrund der unterschiedlichen Verläufe pauschal nicht zu beziffern. Die meisten Personen, die die Diagnose erhalten, leben noch etwa dreieinhalb Jahre. Ein Drittel der Patienten hingegen lebt noch 5 Jahre und länger. zeitlich, als auch hinsichtlich der Symptome sehr unterschiedlich. Die genauen Beschwerden sind abhängig vom Ort der Degeneration.
Die Rolle der Motoneurone
ALS gehört zu den degenerativen Motoneuron-Erkrankungen. Motoneurone sind Nervenzellen, die für die Steuerung der Muskulatur zuständig sind. Zwei Motoneurone bilden hierbei eine Kette. Das erste Motoneuron sitzt im Gehirn und sendet von hier Signale in Richtung Rückenmark, wo diese an einer Schnittstelle, der Synapse, an das zweite Motoneuron weitergegeben werden. Das zweite Motoneuron sendet die Information dann an den entsprechenden Muskel, welcher sich anschließend anspannt (med. kontrahiert) oder entspannt (med. Der Bewegungsablauf des Menschen ist eine neurologische Höchstleistung. ALS führt zu einem Absterben von Neuronen im Gehirn und im Rückenmark, welche für die Bewegungskoordination der Muskulatur zuständig sind.
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Degenerieren die ersten motorischen Neurone betroffen, entstehen spastische Lähmungen. Degenerieren die zweiten Motoneurone, so kommt es zu einer zunehmenden Muskelschwäche (med. Parese) bis hin zur kompletten Muskellähmung (med. Plegie). Im Verlauf entsteht hierbei ein zunehmender Muskelschwund. Die Folge sind Probleme bei jeglichen Bewegungen wie dem Gehen, dem Sprechen, dem Schlucken, dem aufrechten Sitzen und letztendlich auch dem Atmen.
Symptome und Diagnose
Die genauen Symptome der Amyotrophen Lateralsklerose sind abhängig von den degenerierten Neuronen und der dadurch betroffenen Muskulatur. Meist sterben teilweise sowohl erste als auch zweite Motoneurone gleichzeitig ab. Das Beschwerdebild ist somit geprägt von einer Mischung aus spastischen und schlaffen Lähmungen. Besonders auffällig ist die Erkrankung, v. a. im Anfangsstadium, an den größeren Bewegungsabläufen wie z. B. dem Gangbild. Auch das Kauen und Sprechen ist häufig früh betroffen - manchmal kann der Mund nur schwer geöffnet oder geschlossen werden.
Das Bild der Amyotrophen Lateralsklerose ist vielfältig. Meist führt eine zunehmende Muskelschwäche die Betroffenen in die Arztpraxis. Dort sucht das Fachpersonal nach einem Muskelschwund, insbesondere im Bereich der Hände, sowie nach spastischen Lähmungen. Auch das Auftreten von spontanem Muskelzittern, z. B.
Therapie und interdisziplinäre Betreuung
Ursache der ALS ist bis heute ungeklärt. Die Behandlung der ALS-Patienten ist aufgrund des hohen Maßes an betroffenen Körperfunktionen und der starken Alltagseinschränkung interdisziplinär. So arbeitet meistens ein Team aus ärztlichem Personal, Ergo-, Physio- sowie Sprach- und Stimmtherapeut:innen an der Verbesserung der Lebensqualität der Betroffenen. Ein Hauptaugenmerk liegt auch auf der Vermeidung von Komplikationen wie Lungenentzündungen, Muskelkrämpfen, Sprech- und Schluckstörungen. Zumeist gibt es auch eine psychologische Begleitung. Das Medikament Riluzol soll den Krankheitsverlauf außerdem verlangsamen. Des Weiteren werden Präparate eingesetzt, um die Muskelkrämpfe zu lindern. Da die Betroffenen oft im Verlauf an einem depressiven Syndrom leiden, wird auch dieses behandelt. Hierzu stehen verschiedene medikamentöse Antidepressiva zur Verfügung. Bei leichten Formen greifen betroffene Personen auch auf pflanzliche Präparate mit Johanniskraut zurück. Dieses hat aufgrund der enthaltenen Substanzen Hyperforin, Hyperzin und Pseudohyperzin eine positive Wirkung bei Unruhe und leichter bis mittelstarker Depression.
Hereditäre Spastische Paraplegien (HSP): Erbliche Axonopathien des oberen Motoneurons
Das motorische Nervensystem ist für die Kontrolle von Körperhaltung und Willkürbewegungen zuständig. Seine zellulären Hauptbestandteile sind obere und untere Motoneurone. Diese Nervenzellen haben extrem lange axonale Fortsätze, deren lebenslanger Erhalt damit eine besondere Herausforderung für die Zellen ist. Die erblichen Axonopathien des oberen Motoneurons werden als Hereditäre Spastische Paraplegien (HSP) bezeichnet. Hauptsymptome der HSP sind zunehmende Schwäche und Spastik der Beine. Derzeit sind über 50 Gene und mehr als 70 Genloci mit einem HSP Phänotyp assoziiert. Die HSP Typ SPG8 ist eine autosomal dominant vererbte Form, die bisher mit neun publizierten Mutationen im Gen KIAA0196 bzw. dem entsprechenden Genprodukt Strumpellin Protein assoziiert ist. Die zu Beginn der Arbeit vorliegenden Daten zum Pathomechanismus bei SPG8 waren inkonsistent. Die bestehende Hypothese zum Mutationsmechanismus war Haploinsuffizienz. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei KIAA0196 Mauslinien generiert und charakterisiert. Es handelte sich dabei um einen Knockin einer als humanpathogen beschriebenen Variante (p.N471D) und einen konventionellen Knockout. Ziel dieser Ansätze war die Aufklärung des Mutations- und Pathomechanismus bei SPG8.
Weitere Aspekte der Neurowissenschaften
Neben den spezifischen Erkrankungen der Motoneurone gibt es eine Vielzahl weiterer Forschungsbereiche in den Neurowissenschaften, die sich mit der Funktionsweise des Gehirns und des Nervensystems beschäftigen. Dazu gehören unter anderem:
- Die Rolle der Neurotransmitter: Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die für die Übertragung von Signalen zwischen Nervenzellen verantwortlich sind. Die Forschung untersucht, wie verschiedene Neurotransmitter die Stimmung, das Verhalten und die kognitiven Funktionen beeinflussen.
- Die Plastizität des Gehirns: Das Gehirn ist in der Lage, sich an neue Erfahrungen und Umgebungen anzupassen. Diese Fähigkeit, die als Plastizität bezeichnet wird, spielt eine wichtige Rolle beim Lernen und der Rehabilitation nach Verletzungen.
- Die Entwicklung des Gehirns: Die Forschung untersucht, wie sich das Gehirn von der frühen Kindheit bis zum Erwachsenenalter entwickelt und welche Faktoren diese Entwicklung beeinflussen.
- Die Auswirkungen von Alterung auf das Gehirn: Mit zunehmendem Alter kommt es zu Veränderungen im Gehirn, die zu kognitiven Beeinträchtigungen und einem erhöhten Risiko für neurodegenerative Erkrankungen führen können. Die Forschung untersucht, wie diese Veränderungen verhindert oder verlangsamt werden können.
Aktuelle Forschungsarbeiten und Publikationen
Die neurowissenschaftliche Forschung ist ein dynamisches Feld, in dem ständig neue Erkenntnisse gewonnen werden. Zahlreiche Publikationen und Studien tragen dazu bei, unser Verständnis des Gehirns und des Nervensystems zu erweitern. Die oben genannten Quellenliste enthält eine Vielzahl von aktuellen Forschungsarbeiten, die Einblicke in verschiedene Aspekte der Neurowissenschaften geben.
Die Zukunft der Neurowissenschaften
Die Neurowissenschaften stehen vor großen Herausforderungen, aber auch vor großen Chancen. Mit denFortschritten in den Bereichen Genetik, Bildgebung und Computertechnologie werden wir in der Lage sein, das Gehirn und das Nervensystem immer besser zu verstehen und neue Therapien für neurologische und psychiatrische Erkrankungen zu entwickeln.
Herausforderungen und ethische Überlegungen
Die Fortschritte in den Neurowissenschaften werfen jedoch auch ethische Fragen auf. Wie weit dürfen wir in das Gehirn eingreifen? Wie können wir sicherstellen, dass neue Technologien verantwortungsvoll eingesetzt werden? Diese Fragen müssen von Wissenschaftlern, Ethikern, Politikern und der Öffentlichkeit gemeinsam diskutiert werden.
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