Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes und äußerst komplexes Organ. Mit seinen rund 100 Milliarden Nervenzellen und einer noch größeren Anzahl an Kontaktpunkten ermöglicht es uns Fähigkeiten, die selbst modernste Supercomputer bisher nicht erreichen. Eine der herausragendsten Eigenschaften des Gehirns ist seine Lernfähigkeit, die auf der Verschaltung und Plastizität der Nervenzellen beruht.
Die Lernfähigkeit des Gehirns: Ein Leben lang eine Baustelle
Lange Zeit gingen Wissenschaftler davon aus, dass das Gehirn eines Erwachsenen sich nicht mehr verändert. Diese Vorstellung hat sich jedoch grundlegend gewandelt. Heute wissen wir, dass das Gehirn bis ins hohe Alter umgebaut wird. Seine Lernfähigkeit ermöglicht es uns, uns an neue Herausforderungen anzupassen, Fremdsprachen zu lernen, uns Gesichter zu merken oder neue Wege zu finden.
Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist aus wissenschaftlicher Sicht unbestritten. So können wir bis ins hohe Alter eine Fremdsprache und Yoga lernen, uns Gesicht und Stimme eines neuen Arbeitskollegen merken oder den Weg zu einer neuen Pizzeria.
Einige Neurobiologen vergleichen das Gehirn sogar mit einem Muskel, der trainiert werden kann. Diese Analogie wird von Anbietern von Gehirnjogging-Programmen aufgegriffen, die Übungen zur Steigerung der Lern- und Gedächtnisleistung anbieten. Allerdings bezweifeln viele Wissenschaftler, dass solche Übungen die generelle Leistungsfähigkeit des Gehirns verbessern. Sie gehen eher davon aus, dass sich der Trainingseffekt auf die trainierte Aufgabe beschränkt.
Synaptische Plastizität: Die Grundlage des Lernens
Das Lernen im Gehirn findet an den Synapsen statt, den Kontaktstellen, an denen elektrische Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Dieses Phänomen wird als synaptische Plastizität bezeichnet.
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Durch synaptische Plastizität können Synapsen verstärkt oder abgeschwächt werden. Ein wichtiger Mechanismus ist die Langzeitpotenzierung (LTP), bei der eine Synapse durch vermehrte Ausschüttung von Botenstoffen oder Bildung von Botenstoffrezeptoren verstärkt wird. Umgekehrt kann eine Synapse durch einen Abbau von Botenstoffrezeptoren geschwächt werden.
Es ist also nicht übertrieben, wenn man sagt: Unser Gehirn gleicht zeitlebens einer Baustelle. Stärkung und Schwächung, Auf- und Abbau - die Stärke, mit der Signale zwischen Nervenzellen übertragen werden, wird laufend angepasst. Etwas vereinfacht könnte man sich also vorstellen, dass die Signalübertragung verstärkt wird, wenn das Gehirn etwas speichert - und abgeschwächt wird, wenn es vergisst.
Neurowissenschaftler wissen heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden.
Ohne die Plastizität würde dem Gehirn folglich etwas Fundamentales fehlen: seine Lernfähigkeit. Mit dem Lernen verhält es sich wie mit dem Sport: Je mehr eine bestimmte Fähigkeit gefordert wird, desto effektiver wird sie erledigt. Wer beispielsweise Taxi fährt, muss sich gut orientieren und Routen merken können. Durch die tägliche Arbeit wird so das Ortsgedächtnis immer besser. Das hinterlässt auch Spuren im Gehirn, zum Beispiel im Gehirn Londoner Taxifahrer: Forscher haben herausgefunden, dass in ihrem Gehirn der Hippocampus - ein für das Ortsgedächtnis zentrale Region im Gehirn - über die Jahre größer wird. Offenbar braucht ein derart trainiertes Orientierungsvermögen auch mehr Raum! Ob die Taxifahrer auch generell ein besseres Gedächtnis besitzen, ist noch unbekannt.
Reparaturmechanismen des Gehirns
Die Plastizität des Gehirns ermöglicht es ihm auch, Schäden zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen. Am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften haben Forscher herausgefunden, dass das Gehirn so die Schäden nach einem Schlaganfall zum Teil kompensieren kann.
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Die Verschaltung des Gehirns: Ein komplexes Netzwerk
Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Verschaltung innerhalb des Gehirns. Das menschliche Gehirn lässt sich nach verschiedenen Kriterien untergliedern. Entwicklungsgeschichtlich beispielsweise besteht es wie das aller Wirbeltiere aus dem End-, Zwischen-, Mittel-, Hinter- und Markhirn, auch als Tel-, Di-, Mes-, Met- und Myelencephalon bezeichnet. Anatomisch fallen besonders die Bereiche ins Auge, die als Groß-, Zwischen- und Kleinhirn (Cerebellum) bezeichnet werden, sowie der Hirnstamm.
Besonders auffällig ist die zum Endhirn gehörende sogenannte Großhirnrinde, der sogenannte Kortex. Sie ist im Laufe der Evolution so stark gewachsen, dass sie fast das gesamte Gehirn umgibt. Die Großhirnrinde ist Sitz vieler höherer geistiger Fähigkeiten. Einzelne Bereiche haben dabei unterschiedliche Aufgaben. So sind manche Areale darauf spezialisiert, Sprache zu verstehen, Gesichter zu erkennen oder Erinnerungen abzuspeichern. In der Regel ist aber keine Region allein für eine bestimmte Fähigkeit verantwortlich, sondern nur im Zusammenspiel mit anderen.
Welche Gehirngebiete miteinander verbunden sind, untersuchen Wissenschaftler mithilfe der sogenannten Magnetresonanztomografie (MRT). Mit dieser Technik können sie die zu Fasersträngen gebündelten Fortsätze von Nervenzellen sichtbar machen, die die Areale der Großhirnrinde miteinander verbinden. Auf diese Weise haben Sprachforscher beispielsweise eine für das Sprachvermögen zentrale Gehirnregion entdeckt: den sogenannten Fasciculus Articuatus. Ohne dieses Nervenfaserbündel können Kleinkinder keine komplexen Sätze bilden und verstehen. Dies gelingt erst, wenn diese Verbindung genug entwickelt ist.
Auch bei Schimpansen haben Forschende den Fasciculus Articuatus entdeckt. Bei diesen ist er aber schwächer ausgebildet als beim Menschen. Folglich schaffen die Tiere es trotz jahrelangen Trainings nicht, selbst einfachste Sätze zu bilden - und das, obwohl andere erforderliche Hirnareale sowie anatomische Voraussetzungen zum Sprechen durchaus vorhanden sind.
Mit einer Variante dieser Technik, der sogenannten funktionellen Magnetresonanztomografie, können Wissenschaftler zwischen aktiven und nicht aktiven Gehirnregionen unterscheiden. Damit haben sie viel über den Aufbau und die Funktionsweise des Gehirns gelernt. So haben Max-Planck-Forscher aus Leipzig herausgefunden, warum bei Menschen, die stottern, ein Ungleichgewicht zwischen der Hirnaktivität von linker und rechter Großhirnhälfte auftritt: Innerhalb des überaktiven rechten Netzwerkes haben sie eine Faserbahn entdeckt, die bei den Betroffenen deutlich stärker ausgebildet ist, als bei Menschen ohne Sprechprobleme. Je stärker der sogenannte Frontale Aslant Trakt ist, desto stärker stottert ein Mensch.
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Konnektom: Der Schaltplan des Gehirns
Einen exakten Schaltplan des Gehirns lässt sich jedoch mit der MRT-Technik nicht erstellen, dafür ist die Genauigkeit der Methode nicht hoch genug. Schließlich sitzen bis zu 10.000 Synapsen auf einer Nervenzelle, 100 Billionen sind es insgesamt. Dies zeigt, wie dicht das Kommunikationsnetz im Gehirn ist. In diesem Netz können einerseits benachbarte Nervenzellen miteinander verknüpft sein, andererseits auch Zellen, die weit voneinander entfernt sind.
Die Wissenschaftler entwickeln deshalb neue Methoden, mit denen sie das Konnektom entschlüsseln können. Als Modellfälle dienen ihnen dafür Mäuse: Sie haben zum Beispiel die Verschaltung von Bereichen der Netzhaut des Auges sowie der Großhirnrinde aufgeklärt und herausgefunden, dass Nervenzellen im sogenannten entorhinalen Kortex der Großhirnrinde wie ein Transistor organisiert sind: Bevor eine Nervenzelle eine andere Zelle aktivieren kann, kontaktiert sie eine hemmende Zelle und wird so in ihrer eigenen Aktivität behindert. Anhand solcher Schaltpläne wollen Wissenschaftler lernen, wie das Gehirn funktioniert. An Max-Planck-Instituten arbeiten sie bereits heute daran, die Prinzipien der Informationsverarbeitung aufzuklären. Derzeit konzentrieren sie sich auf einfacher aufgebaute Gehirne, die weniger Nervenzellen und -fasern besitzen als das Gehirn des Menschen. Mäuse sind ein solcher Modellfall für Neurowissenschaftler. Sie besitzen als Säugetiere ein ähnlich aufgebautes und funktionierendes Gehirn wie der Mensch. Trotz aller Ähnlichkeit zum Gehirn des Menschen gibt es natürlich auch Unterschiede. So haben Forschende des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung entdeckt, dass der Mensch ein dichtes Netz aus hemmenden Interneuronen besitzt, die mit anderen Interneuronen in Verbindung stehen. Mäuse haben dies in dieser Form nicht.
Die Forschenden wollen nun die Funktion dieses Netzwerks herausfinden. Eine Möglichkeit ist, dass ein solches hemmendes Netzwerk hilft, Sinneseindrücke länger im Arbeitsgedächtnis zu halten.
Modellorganismen: Zebrafische, Fruchtfliegen und Fadenwürmer
Noch einfacher aufgebaut und leichter zu untersuchen ist das Gehirn von Zebrafischen und ihrer Larven. So besitzt das Gehirn einer Fischlarve nicht nur lediglich 100.000 Nervenzellen und damit eine Million Mal weniger als das des Menschen, es ist auch noch nahezu völlig transparent. Wissenschaftler können deshalb ohne operativen Eingriff mit ihren Mikroskopen ins Gehirninnere blicken.
An diesem vergleichsweise einfach aufgebauten Gehirn können Forschende viel über die Arbeitsweise des Fischgehirns lernen und dabei Rückschlüsse auf die Abläufe im menschlichen Gehirn ziehen. Auch Wirbellose können ein Modell für Neurowissenschaftler sein. Ihre Nervenzellen sind zwar sehr klein, dadurch kann ihre Aktivität nicht so leicht gemessen werden. Dafür lassen sich wegen der vergleichsweise einfacheren Architektur die Prinzipien von Verschaltungen zur Wahrnehmung und Verarbeitung von Umweltreizen analysieren. So können Forscher anhand des Gehirns von Fruchtfliegen lernen, wie der Geruch von Nahrung die Fortpflanzung beeinflusst. Durch die Analyse des Sehsystems von Schmeißfliegen wollen sie herausfinden, wie die Insekten Bewegungen so unglaublich schnell wahrnehmen können. Selbst ein so einfach aufgebauter Organismus wie der Fadenwurm C.
Neuronale Subtypen und ihre synaptischen Interaktionen
Nervenzellen in der menschlichen Großhirnrinde bilden verschiedene Subtypen, die sich in ihrer Funktion und Anatomie unterscheiden und auf verschiedene Art und Weise miteinander verschaltet sind. In der Hirnrinde befinden sich unterschiedliche Nervenzellen, wovon die erregenden Nervenzellen den Großteil ausmachen. Über diese Zellen weiß man recht viel aus Studien mit Nagetieren. Wie vielfältig sie in der menschlichen Hirnrinde sind und wie sie miteinander kommunizieren, war aber wenig bekannt.
Forscher haben Hirngewebe von Patienten aus neurochirurgischen Operationen genutzt, um nahe beieinanderliegende Nervenzellen zu vermessen und zu testen, ob sie miteinander verbunden sind. Es hat sich eine große Vielfalt der Zellen und ihrer Synapsen gezeigt. Anhand dieser Unterschiedlichkeit beschreiben sie vier elektrische Subtypen. Außerdem konnten sie zeigen, dass die Subtypen unterschiedlich miteinander kommunizieren.
Die zelluläre und synaptische Vielfalt eines einzelnen Zelltyps ist größer, als wir es erwartet hatten. Dies zeigt sich über Individuen hinweg. Nervenzellen in der Hirnrinde des Menschen unterscheiden sich überraschend stark voneinander - vermutlich stärker als bei der Maus. Sie bilden Subtypen, die auf spezifische Art und Weise miteinander kommunizieren. Diese Komplexität hat vermutlich Vorteile für die Verarbeitung von Informationen.
Mitochondrien: Die Energieproduzenten und ihre Rolle in neuronalen Netzwerken
Internationale Forschende haben die Verteilung der Mitochondrien, das sind die Energieproduzenten der Zellen, im Gehirn untersucht. Ihre Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven auf die Organisation neuronaler Netzwerke.
Die Kartierung des Gehirns erlebt derzeit einen gewaltigen Aufschwung. Dank Künstlicher Intelligenz und modernster Elektronenmikroskopie können Forschende die Nervennetze unterschiedlichster Tierarten - von Insekten bis zum Menschen - heute mit nie dagewesener Detailtiefe rekonstruieren. So entstehen aufwendige Connectome, das sind dreidimensionale Karten, die zeigen, wie tausende Nervenzellen miteinander verbunden sind.
Anstatt nur die Verschaltung zwischen Zellen zu betrachten, untersucht sie, wie die „Kraftwerke“ der Zelle, die Mitochondrien, innerhalb des neuronalen Geflechts verteilt sind. Mitochondrien liefern Energie für nahezu alle Prozesse im Körper und übernehmen weit mehr Aufgaben als bislang angenommen: Sie beeinflussen die Signalübertragung zwischen Nervenzellen, steuern den Schlaf und entscheiden mit über Leben und Tod einer Zelle. Jede Nervenzelle enthält Hunderte dieser winzigen Organellen. Da das Gehirn besonders viel Energie verbraucht, kann ihre Anordnung entscheidende Hinweise auf die Arbeitsweise neuronaler Schaltkreise geben.
Die Form der Mitochondrien wirkt wie ein zellulärer Fingerabdruck. Allein anhand ihrer äußeren Gestalt konnten die Forschenden vorhersagen, zu welchem Zelltyp die Organellen gehören und welchen Neurotransmitter, das sind biochemische Botenstoffe, die jeweilige Nervenzelle nutzt. Auch ihre Verteilung folgt klaren Regeln: Mitochondrien häufen sich in der Nähe von Synapsen, unterscheiden sich zwischen Zellbereichen und zeigen charakteristische Verteilungsmuster je nach Zellklasse.
Im Vergleich mit einem Maus-Connectom erwiesen sich viele dieser Prinzipien als erstaunlich ähnlich. Ein Detail aber unterscheidet beide Arten: Während Mitochondrien bei den Fruchtfliegen Abstand voneinander halten, bilden sie bei Mäusen Cluster - eine Beobachtung, die neue Fragen nach der funktionellen Bedeutung dieser Anordnung aufwirft.
Die Studie schlägt eine Brücke zwischen Zellbiologie und Systemneurowissenschaften. Sie zeigt, dass die Leistungsfähigkeit des Gehirns nicht allein von seiner Verschaltung abhängt, sondern ebenso von der mikroskopischen Organisation seiner Energiesysteme.
Künstliche neuronale Netzwerke und BENOs
Für höhere Gehirnfunktionen müssen aktivierende und inaktivierende Nervenzellen in direkter Nachbarschaft zu sogenannten Gliazellen eng und zugleich dynamisch verschaltet sein. BENOs weisen zudem Funktionen auf, die für die Ausbildung von Lernen und Gedächtnis von zentraler Bedeutung sind.
Erste Anwendungen finden BENOs bereits in der Simulation von Erkrankungen des zentralen Nervensystems, zum Beispiel von Epilepsie Syndromen, und in der Testung von Arzneistoffen. „Dadurch öffnet sich nicht nur die Tür für eine Entwicklung und präklinische Testung individualisierter Verfahren direkt am menschlichen Modell. Auch die Züchtung von Ersatzgewebe für die Behandlung von Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen wird prinzipiell möglich.
Axonverästelung: Wie Nervenzellen ihren Weg finden
Nervenzellen müssen sich verschalten, damit ein funktionstüchtiges Nervensystem entstehen kann. Sie bilden dazu Zellfortsätze (Axone) aus, die von einem Wachstumskegel an ihrer Spitze geleitet, sich ihren Weg zu anderen Nervenzellen bahnen. Um möglichst viele Zielzellen zu erreichen, verzweigen sich die Axone.
Neurobiologen haben zwei Signalmoleküle identifiziert, die eine entscheidende Rolle bei der Axonverästelung spielen: das Rezeptorprotein Npr2 und der molekulare Schalter cGKI.
Lebenslange Veränderungen der Gehirnstruktur
Eine groß angelegte Studie der University of Cambridge liefert weitreichende Antworten auf die Frage, wie sich die Struktur unseres Gehirns über ein gesamtes Leben hinweg entwickelt. Das Forschungsteam hat 3.802 Diffusions-MRT-Scans ausgewertet und daraus die Muster der neuronalen Vernetzung zwischen der Geburt und dem Alter von 90 Jahren rekonstruiert.
Die erste Phase reicht von der Geburt bis zum Alter von etwa neun Jahren. Sie ist geprägt von rapide zunehmender grauer und weißer Substanz, einer Überproduktion von Synapsen und deren späterer Auslese. Die Forschungsgruppe beschreibt diesen Abschnitt als eine Phase der "Netzwerkkonsolidierung".
Die zweite Epoche, die Phase der Jugend, erstreckt sich deutlich länger, als viele erwarten würden: bis in die frühen Dreißiger. In dieser Zeit nimmt die Effizienz der Gehirnnetzwerke zu, sowohl innerhalb einzelner Regionen als auch über weite Distanzen.
Der folgende Wendepunkt mit 32 Jahren ist laut Studie der stärkste des gesamten Lebens. Mit Anfang 30 tritt die Gehirnstruktur in ihre längste stabile Phase ein: das Erwachsenenalter. Der Befund passt zu anderen Studien, die ein Plateau in kognitiven Fähigkeiten und Persönlichkeitseigenschaften beschreiben. Auf topologischer Ebene zeigt sich eine langsame Zunahme der funktionellen Aufteilung - die Netzwerke werden etwas stärker in Teilbereiche gegliedert.
Der Einschnitt mit 66 ist ausgeprägter als zunächst sichtbar: Zwar verändern sich die Kennzahlen nicht abrupt, doch die Forscher erkennen eine deutliche Verschiebung in den globalen Mustern. Mousley beschreibt es so: "Die Daten deuten darauf hin, dass eine allmähliche Reorganisation der Gehirnnetzwerke in der Mitte der Sechziger kulminiert." In diesem Alter beginnt die weiße Substanz messbar abzubauen.
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