Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ mit 86 Milliarden Nervenzellen und noch mehr Synapsen. Die Entschlüsselung seiner Funktionsweise ist eine der größten Herausforderungen der modernen Wissenschaft. Aktuelle Forschungsprojekte zielen darauf ab, die Geheimnisse des Gehirns zu lüften, neurologische Erkrankungen besser zu verstehen und neue Therapieansätze zu entwickeln. Dieser Artikel beleuchtet einige dieser spannenden Forschungsbereiche und ihre potenziellen Auswirkungen.
Genomische Instabilität und Neurodegeneration
Ahmad Aziz, Demenzforscher am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) in Bonn, untersucht die Auswirkungen von „Tandem Repeats“ und „genomischer Instabilität“ auf das Gehirn. Er erhielt für seine Forschung einen ERC Starting Grant. Genomische Instabilität bedeutet, dass sich das Erbgut im Laufe des Lebens verändern kann. Mutationen treten nicht nur während der Zellteilung auf, sondern auch in somatischen Zellen, also in Nervenzellen (Neuronen).
Aziz' Hypothese ist, dass Änderungen in der DNA, die sich im Laufe des Lebens aufbauen, letztendlich zu neuronaler Dysfunktion und Degeneration führen können. Hier kommen die Tandem Repeats ins Spiel. Das sind Wiederholungen von bestimmten Mustern in der DNA. Je öfter sich die Gruppen wiederholen, desto instabiler wird das Genom im Vergleich zu anderen Bereichen der DNA. Ein Beispiel ist ein Gen, das ursächlich mit der Huntington-Krankheit in Verbindung steht. Treten Tandem Repeats mit einer Länge von 36 oder mehr Wiederholungen in diesem Gen auf, steigt die Wahrscheinlichkeit für die Erkrankung.
Aziz' Projekt kombiniert epidemiologische, klinische und Grundlagenforschung. Im ersten Teil wird die genomische Instabilität in der DNA von Blutzellen bestimmt. Dazu werden Blutproben genutzt, die für die Rheinland Studie des DZNE gesammelt wurden. Parallel dazu wird die genomische Instabilität in der DNA von Neuronen bestimmt. Dies ist möglich, weil Nervenzellen extrazelluläre Vesikel ins Blut abgeben, winzige Bläschen, die Proteine, RNA und auch DNA der Zelle enthalten. So erhält man mit der Blutprobe direkten Zugriff auf das Erbgut der Nervenzellen.
Die genomische Instabilität der Probanden wird mit dem Grad der Schädigung ihrer Nervenzellen verglichen. Dieser kann ebenfalls aus den Blutproben abgelesen werden, nämlich anhand der NfL-Konzentration (Neurofilament light chain), einem Protein, dessen Konzentration im Blut bei Nervenschäden ansteigt. Zudem werden MRT-Scans des Gehirns genutzt, um die Auswirkungen der genomischen Instabilität auf die Hirnsubstanz zu erforschen.
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Als zweiter Teil kommen klinische Studien hinzu. Hier werden die Daten von Patienten mit Erkrankungen, die von langen Tandem Repeats ausgelöst werden, genutzt. Das betrifft z.B. die Huntington-Krankheit und verschiedene spinozerebelläre Ataxien. Neben Blutproben und MRT-Scans des Gehirns wird auch die Krankengeschichte über das Fortschreiten des Leidens in Betracht gezogen. Im dritten Teil des Projektes wird untersucht, wie genau die Instabilität zu Nervenschäden führt.
Neuronale Netzwerke und Kompensation von Nervenzellverlust
Wissenschaftler des Instituts für Physiologie der Universitätsmedizin Mainz haben entschlüsselt, wie das Gehirn in der Lage ist, seine Funktion bei einem Verlust von Nervenzellen weitestgehend aufrechtzuerhalten. Bei Untersuchungen im Tiermodell fand das Forschungsteam heraus, dass sich neuronale Netzwerke in der Großhirnrinde innerhalb eines kurzen Zeitraums reorganisieren, indem andere Nervenzellen die Aufgaben der verlorenen Neuronen übernehmen. Diese neuen Erkenntnisse könnten die Grundlage für zukünftige Forschung zu natürlichen Alterungsprozessen und neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson bilden.
Im Laufe des Lebens können Nervenzellen im Gehirn aus verschiedenen Gründen verloren gehen. Einerseits können Nervenzellen durch altersbedingte Prozesse absterben. Während die meisten Körperorgane alte oder beschädigte Zellen regelmäßig durch neue ersetzen, um ihre Organfunktion aufrechtzuerhalten, können sich im Gehirn neue Neuronen nur in bestimmten Regionen bilden. Im Kortex, der auch als Großhirnrinde bezeichneten Hirnregion, die für komplexe Denkprozesse und die Wahrnehmung verantwortlich ist, ist die Fähigkeit zur Neubildung von Nervenzellen im Erwachsenenalter sehr eingeschränkt.
Das Forschungsteam um Professor Rumpel hat im Tiermodell die neuronalen Netzwerke im Auditorischen Kortex, der für die Verarbeitung von akustischen Reizen verantwortlich ist, untersucht. Grundlage für die bewusste Wahrnehmung von Geräuschen sind Aktivitätsmuster, die im Gehirn durch Schall hervorgerufen werden. Die Forscher fanden heraus, dass sich die auditive Repräsentationskarte bei einem experimentell gezielt hervorgerufenen Verlust von nur wenigen spezifischen Nervenzellen zunächst destabilisierte. Dies deutet darauf hin, dass sich das für die Geräuschwahrnehmung zuständige neuronale Netzwerk prinzipiell in einer empfindlichen Balance befindet. Die Wissenschaftler beobachteten jedoch, dass sich bereits nach wenigen Tagen sehr ähnliche Aktivitätsmuster neu bildeten.
Die Untersuchungen haben aufgedeckt, dass neuronale Netzwerke im Gehirn über ein bemerkenswertes Potential zur Reorganisation verfügen. Dieser neu entdeckte neuronale Mechanismus könnte auch eine wichtige Rolle für den Verlust von Nervenzellen bei natürlichen Alterungsprozessen sowie bei neurodegenerativen Erkrankungen spielen.
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Wandernde Aktivitätswellen und kognitive Prozesse
Forschende des Berlin Institute of Health in der Charité (BIH) haben mithilfe von Gehirnsimulationen eine Theorie zur Entstehung von wandernden Aktivitätswellen entwickelt. Diese Wellen beeinflussen kognitive Prozesse wie Lernen oder Erinnern im menschlichen Gehirn. Ein Verständnis von wandernden Aktivitätswellen kann Patient*innen mit kognitiven Erkrankungen in der Therapie helfen.
Erstmals gelang es dem Team um Professorin Dr. Petra Ritter mithilfe von Computersimulationen zu zeigen, wie wandernde Aktivitätswellen im Gehirn entstehen und sich bewegen. Frühere Studien weisen darauf hin, dass diese Wellen für verschiedene kognitive Funktionen wie etwa die Erinnerung wichtig sind. Wandernde Aktivitätswellen sind ein Muster neuronaler Signale, die entstehen, wenn Gruppen von Neuronen gleichzeitig aktiv sind und diese synchrone Aktivität mit der Zeit räumlich über den Kortex wandert. Forschende können die Wellen mithilfe von Messungen, wie zum Beispiel der Elektroenzephalographie (kurz EEG), sichtbar machen. Die Ursache der Welle ist ein räumlich ausgedehnter Frequenzgradient im Gehirn, der wiederum durch einen Gradienten in der Stärke der Vernetzung entsteht.
Professorin Dr. Petra Ritter ist überzeugt, dass Hirnwellen ein Schlüssel zu Lernprozessen im Gehirn sein können, denn synchrone Aktivität stärkt die Verbindung. „Durch die über das Gehirn ziehenden Wellenfronten wird die Synchronisation der Aktivität von Nervenzellen - auch wenn sie räumlich voneinander entfernt sind - erzielt. Eine bekannte Theorie besagt: was zusammen „feuert“ - also gleichzeitig aktiv ist, verdrahtet sich miteinander. Das bedeutet, dass diese Wellen eine wichtige Grundlage für die Koordination von plastischen Veränderungen, dem Lernen des Gehirns, darstellen können“, erklärt die Leiterin der Studie. Dabei können sich die Wellen im Gehirn auf verschiedensten räumlichen Skalen fortbewegen und auch die Richtung und andere Eigenschaften ändern.
Das Wissen um die Entstehungsmechanismen der wandernden Aktivitätswellen kann zukünftig die Therapie von Erkrankungen des Gehirns verbessern und beim Verständnis über diese Erkrankungen helfen, beispielsweise in der Therapie von Schizophrenie, Epilepsie oder Parkinson. Mit den Digitalen Gehirnzwillingen, die in Petra Ritters Team entwickelt werden, lässt sich die Reaktion eines Gehirns auf einen bestimmten Reiz simulieren. Ritter sieht in der Simulation Potential, Therapien wie die Gehirnstimulation, z.B. in Form von tiefer Hirnstimulation bei der Parkinson-Erkrankung, aber euch neurochirurgische Eingriffe personalisiert am Computer zu planen und so sicherer und effizienter zu machen.
Neuro-Gadgets und Neurofeedback
Neuro-Gadgets und Neurofeedback-Anwendungen versprechen, die mentale und psychische Leistungsfähigkeit zu steigern und bei der Behandlung von psychischen Störungen zu helfen. Neurofeedback-Geräte sollen den Zustand des Gehirns (entspannt oder konzentriert) anzeigen und durch Belohnungen helfen, diese Zustände selbst herbeizuführen.
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Kerstin Mayer, Psychologin, erklärt, dass beim Neuro-Feedback Gehirnsignale abgeleitet und bestimmte Frequenzen herausgefiltert werden. Langsame Corticale Potentiale (SCPs) sind Zellverbünde im Cortex, die für die Erregbarkeit von Nervenzellen verantwortlich sind. Durch Konzentration kann man diese SCPs beeinflussen und so z.B. einen kleinen Fisch in einem Spiel über eine Linie schieben.
Claudia Sänger, eine Patientin, berichtet von ihrem Leidensdruck und wie Neurofeedback ihr geholfen hat, ihre Aufmerksamkeit und Impulse besser zu kontrollieren. Kim, ein Kind, das an einer Studie teilnimmt, trainiert einmal wöchentlich in der Kinder- und Jugendpsychiatrie, um ihre Aufmerksamkeit zu steuern und ihre Impulse besser zu kontrollieren.
Martin Holtmann forscht seit den 70ern an der Methode und führt eine groß angelegte Studie durch, um den Effekt von Neurofeedback auf ADHS-Patienten im Kindesalter zu bestimmen.
Niels Birbaumer, Psychologe, Neurobiologe, Neurofeedback-Spezialist, teilt jedoch ein Misstrauen gegenüber einigen Geräten, da die Technik mangelhaft sein kann. Er betont, dass ein guter Verstärker allein Minimum 1.000 Euro koste. Es ist schwierig zu zeigen, dass Neurofeedback ADHS-Patienten hilft, es ist noch schwieriger, Belege dafür zu finden, dass Neurofeedback Gesunden beim Selbst-Optimieren nützt. Was aber funktioniert, hat Birbaumer gezeigt: Wir können unser Gehirn wie einen Muskel verwenden, wie einen Joy-Stick. Er hat Locked-In-Patienten eine Apparatur gebaut, mit der sie durch Konzentration und Entspannung Buchstaben auswählen und so wieder kommunizieren konnten.
Joyce, Community und Developer-Manager bei Emotiv, einem der großen Hersteller von Neurofeedback-Tools, sagt, dass Emotiv eng mit der Wissenschaft zusammen arbeite. Hans Georg Bieschke, Managing Director bei der Plattform Mind-Tech-Store, einem Reseller, der Produkte aus anderen Ländern auf dem deutschen Markt anbietet, ist der Meinung, dass diese Geräte halten, was sie versprechen.
Axel Kowalski arbeitet ebenfalls mit Neurofeedback und zeigt den Patienten ihre Gehirnwellen, um ihnen zu helfen, sie zu kontrollieren. Er nutzt ein Programm namens "Mein Gehirn", das die EEG-Wellenlinien darstellt.
Die aktuellen wissenschaftlichen Studien dämpfen jedoch die Euphorie. Je größer die Studie, je höher die Standards, desto schwächer der Beleg für die Wirksamkeit.
Ein weiteres Neuro-Gadget ist das transkranielle Gleichstrom-Stimulationsgerät (tDCS). Durch kleine Elektroden soll Strom über die Hirnhaut die Erregbarkeit der Nervenzellen im Gehirn erhöhen oder dämpfen. Es gibt jedoch Bedenken hinsichtlich der Sicherheit und Wirksamkeit dieser Geräte.
Barry Stermann hat vor mehr als 40 Jahren gezeigt, dass er mit Neurofeedback Katzen so trainieren kann, dass sie epileptische Anfälle unterdrücken können. Claudia Sänger und Kim haben mit der Methode gearbeitet und sagen, es gehe ihnen besser, dank Neurofeedback.
Da aber über Jahrzehnte viel mehr Geld in die Erforschung von Psychopharmaka und Neuroleptika geflossen ist, wissen wir immer noch nicht genau, ob, unter welchen Umständen, bei wem und vor allem wie Neurofeedback funktioniert.
Gehirn-Computer-Schnittstellen
Eine neuartige Gehirn-Computer-Schnittstelle aus den USA ermöglicht die präzisere Steuerung von Fingerbewegungen. Die Schnittstelle wurde dabei einer Person mit Lähmung in den Armen und Beinen in den linken Gyrus praecentralis implantiert, einen Bereich des Gehirns, der für die Steuerung der Handbewegungen zentral ist. Danach wurde die neuronale Aktivität aufgezeichnet, während der Studienteilnehmer dabei zusah, wie eine virtuelle Hand verschiedene Bewegungen ausführte. Mithilfe von maschinellem Lernen entwickelten die Forschenden einen Algorithmus, der die Signale für die spezifischen Fingerbewegungen immer genauer entschlüsseln konnte. So konnte der Proband in der Studie bei einer virtuellen Hand drei verschiedene Fingergruppen kontrollieren, inklusive des Daumens. Die Präzision sei dabei deutlich größer als in bisherigen vergleichbaren Untersuchungen gewesen, betonen die Wissenschaftler.
Der Magdeburger Neurowissenschaftler Emrah Düzel betont, dass die neuartige Gehirn-Computer-Schnittstelle eine sehr substanzielle Weiterentwicklung sei. Das Besondere an der neuartigen Schnittstelle sei dabei die Schnelligkeit, mit der die Finger gesteuert werden können. So könnten sehr schnelle Gedankenprozesse in Bewegungen umgesetzt und damit letztlich auch Anwendungen wie das experimentelle Computerspiel mit der Drohne ausgeführt werden. Dies sei eine große Hilfe für Menschen mit Lähmungen, etwa nach einem Schlaganfall oder mit ALS. Allerdings dauere es bis zu einer Marktreife noch mindestens fünf bis zehn Jahre, schränkt der Experte ein.
Jülicher Hirnforschung und der Julich Brain Atlas
Jülicher Hirnforscher:innen arbeiten daran, das Gehirn zu entschlüsseln. Sie wollen verstehen, wie unser Gehirn aufgebaut ist, wie es funktioniert und neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer ihren Schrecken nehmen. Ihre Erkenntnisse fließen auch in die Entwicklung neuartiger Computertechnologien.
Mit seinen 86 Milliarden Nervenzellen und einem Vielfachen an Synapsen, über die Informationen von Zelle zu Zelle wandern, ist das menschliche Gehirn unfassbar komplex. Wissenschaftler:innen aus Jülich sind seinen Geheimnissen auf der Spur. Beispielsweise wollen sie herausfinden, wie sich unser Denkorgan im Laufe des Lebens entwickelt und wie kognitive Prozesse im gesunden und im kranken Gehirn ablaufen. Dadurch erhoffen sie sich neue Möglichkeiten für die Behandlung von neurologischen Erkrankungen wie Parkinson oder der Alzheimer-Demenz.
Der Julich Brain Atlas ist die bisher detaillierteste Karte des menschlichen Gehirns. Als eine Art „Google Maps“ bietet dieses einzigartige Werkzeug eine Fülle von Daten - und die Möglichkeit, die Jülicher Supercomputer für ihre Analyse zu nutzen. Damit ist der Atlas ein wesentlicher Baustein der digitalen Forschungsinfrastruktur EBRAINS, die Forschenden weltweit zugänglich ist.
Die Forscher:innen am Institut für Neurowissenschaften und Medizin stützen sich bei ihrer Arbeit auf die einzigartige Jülicher Forschungsinfrastruktur. Mit der Hilfe von Supercomputern erstellen sie aus Tausenden von mikroskopischen Aufnahmen „Landkarten“ der Nervenzellen und -fasern im Gehirn. In leistungsstarken Magnetresonanztomographen entdecken die Wissenschaftler:innen, wo Gedanken entstehen. Künstliche Intelligenz unterstützt dabei, die Daten zu interpretieren. Mit nuklearchemischen Methoden untersuchen sie das Gehirn auf molekularer Ebene, um beispielsweise die Steuerung des Schlaf-Wach-Rhythmus zu entschlüsseln oder herauszufinden, wo Koffein wirkt. In enger Kooperation mit Universitätskliniken entwickeln die Wissenschaftler:innen zudem gängige Untersuchungsmethoden weiter.
Ein Meilenstein der Hirnforschung war das Human Brain Project, an dem das Forschungszentrum federführend beteiligt war. Das im Herbst 2023 abgeschlossene Vorhaben hat die Instrumente der Hirnforscher:innen weltweit um eine einzigartige Plattform bereichert: EBRAINS macht die bislang größte Datenbasis zum menschlichen Gehirn frei verfügbar und verknüpft sie mit den Möglichkeiten des Supercomputings - etwa für Simulationen und KI-basierte Analysen. Herzstück ist der Julich-Brain Atlas: Der in Jülich entstandene, extrem hochauflösende 3D-Atlas zeigt den anatomischen Aufbau und die Funktionsareale des Gehirns in nie dagewesener Detailtiefe. Patient:innen in 30 europäischen Kliniken profitieren schon heute von der riesigen Datensammlung zu neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie, Demenz oder Hirntraumata.
Die Erforschung des menschlichen Gehirns tritt mit den digitalen Möglichkeiten in eine neue Phase. Denn die immense Rechenpower der Supercomputer macht die Verarbeitung von immer größeren Datenmengen möglich. Umgekehrt profitiert auch die Informationstechnologie von den Durchbrüchen in den Neurowissenschaften. Bei der Entwicklung neuartiger Computerchips oder dem maschinellen Lernen nehmen sich die Forscher:innen das Gehirn zum Vorbild. Dessen Energieeffizienz ist nämlich unerreicht. Es löst selbst komplexe Denkaufgaben mit einem Bruchteil der Energie, die Supercomputer benötigen.
ForInter: Interaktion humaner Gehirnzellen
Unter Federführung der FAU ist ein neuer Bayerischer Forschungsverbund gestartet: ForInter (Forschungsverbund Interaktion humaner Gehirnzellen) hat zum Ziel, die Interaktion verschiedener Zelltypen des menschlichen Gehirns in multidimensionalen Zellkultursystemen zu untersuchen. Der Verbund wird vom Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst für eine Laufzeit von vier Jahren gefördert.
Im menschlichen Gehirn sind unterschiedliche, spezialisierte Zellpopulationen, wie Neuronen und Gliazellen, in einem komplexen Bauplan angeordnet. Die verschiedenen Zellen bilden funktionelle und dynamische Netzwerke und ihr Zusammenspiel ist für die unterschiedlichen Funktionen des Gehirns von grundlegender Bedeutung. Welche Rollen die unterschiedlichen Zellen für die Funktionen des Gehirns spielen - ob in gesundem oder krankem Zustand - ist noch immer ungeklärt.
Für eine strukturelle Untersuchung des Gehirns steht zwar post mortem Gewebe zur Verfügung. Die neuroanatomische bzw. neuropathologische Untersuchung bildet aber nur einen definierten Zeitpunkt ab. Die Entwicklungen der Biologie und der Stammzellforschung der vergangenen Jahre haben die Voraussetzungen für die Generierung multidimensionaler Zellkultursysteme, also Zellkulturen mit mehreren Zelltypen und in dreidimensionalen System, und zerebraler Organoide geschaffen.
Basierend auf ihrer Arbeitshypothese, dass definierte humane Zell-Zell-Systeme - Systeme, in denen zwei oder mehrere unterschiedliche Zellen interagieren - in der Lage sind, physiologische und pathologische Interaktionen des menschlichen Gehirns zu modellieren, konzentrieren sich die Forscherinnen und Forscher des Verbundes auf die Arbeitsfelder (1) Interaktion von neuralen Zellen in der Entwicklung und unter physiologischen Bedingungen, (2) Interaktion von neuralen Zellen unter pathologischen Bedingungen, (3) bioinformatische Methoden in der Analyse und Modellierung der Interaktion von neuralen Zellen, (4) Ethik- und Rechtsfragen in der Forschung mit genomeditierten Stammzellen und Gehirn-Organoiden und den Implikationen der therapeutischen Anwendung.
Im interdisziplinären Netzwerk von ForInter arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Neurobiologie, der Neuropathologie und der Neurologie, sowie der Bioinformatik und dem Gebiet von Ethik und Recht zusammen.
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