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Gehirnforschung

Schauen, was im Kopf passiert

03.12.2013
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Von Stefan Oetzel / In der Gehirnforschung konnten in den letzten Jahren zum Teil deutliche Fortschritte gemacht werden. Die beiden aktuell gestarteten Großprojekte »Human Brain Project« und »BRAIN Initiative« sollen dazu beitragen, Struktur und Funktionsweise des menschlichen Gehirns noch besser als bisher zu verstehen.

Die Geschichte der Gehirnforschung reicht weit zurück. Schon Alcmaeon von Kroton (um 500 vor Christus) vermutete, dass das Gehirn Zentralorgan unserer Sinneswahrnehmung ist; er präparierte auch bereits sensorische Nerven. Der griechische Arzt Herophilos von Chalkedon (um 325–255 vor Christus) beschrieb die grobe Anatomie des Gehirns und bezeichnete dies auch als Sitz der Intelligenz. Während des Mittelalters forcierten vor allem byzantinische und arabische Ärzte die medizinische Gehirnforschung. 

Zur Zeit der Renaissance gingen in Europa neue Impulse für die Hirnforschung zum Beispiel von Italien aus. So fertigte Leonardo da Vinci (1452–1519) im Jahr 1504 Wachsausgüsse der menschlichen Hirnventrikel an. Ab dem 18. Jahrhundert waren experimentelle Methoden verfügbar, mit denen die Funktion von Nerven als elektrische Leiter gezeigt werden konnten. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts wurde systematisch Forschung an Tieren und Beobachtungen an Kranken und Verletzten betrieben. Aus dieser Zeit stammt ein großer Teil des heutigen Wissens zur Hirnanatomie und Neurophysiologie. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts stehen nichtinvasive Methoden wie Elektroenzephalografie (EEG) und später Positronen-Emissions-Tomografie (PET) und (funktionelle) Magnetresonanztomografie (MRT) zur Verfügung. Dadurch sind Untersuchungen an lebenden, gesunden Gehirnen möglich, die bisher zahlreiche neue Erkenntnisse zur Hirnfunktion gebracht haben (1).

 

Der aktuelle Stand

 

In den letzten Jahren konnte vor allem durch bildgebende Verfahren die Kartierung des Gehirns deutlich verfeinert werden. Dabei war es möglich, verschiedene mentale Leistungen bestimmten Hirnregionen zuzuordnen – es gibt also Funktionsspezialisierungen im Gehirn. Andererseits zeigte sich auch, dass komplexe kognitive Funktionen meist über zahlreiche, verschiedene Hirnregionen verteilt sind (2).

 

Auf (sub)zellulärer Ebene konnten Aufbau, elektrophysiologische Wirkungsweise und Zusammenarbeit von Neuronen aufgeklärt werden. Zudem wurden einige Neuronengruppen molekulargenetisch charakterisiert und bestimmten Leistungen zugeordnet. Zusammenhänge zwischen erblichen Faktoren und Hirnleistungen sind zum Beispiel wichtig für das Verständnis von Erkrankungen des Nervensystems wie der Schizophrenie. Die Wissenschaft machte auch deutliche Fortschritte, was die Lokalisierung und Klärung der Bedeutung von Neurotransmittern als Boten- und Überträgerstoffe zwischen Nervenzellen betrifft. Damit eröffnen sich in Zukunft neue Therapiemöglichkeiten für psychische Erkrankungen (2).

 

Eine Herausforderung für die Zukunft bleibt die Erforschung der Zusammenarbeit neuronaler Netze, bestehend aus Nervenzellen und der umgebenden Glia, die letztlich die Grundlage für das Verständnis von menschlichem Bewusstsein darstellt. Weitere zentrale Themen der Gehirnforschung sind zum einen die Hirnplastizität, die Veränderung von Hirnstrukturen im Laufe der Zeit, wie sie zum Beinspiel für Lernprozesse charakteristisch ist, und zum anderen der individuell unterschiedliche Aufbau des Gehirns (interindividuelle Varianz) sowie dessen Bedeutung für die klinische Diagnose und Therapie psychischer Erkrankungen (2).

 

Was bedeutet dies für die Praxis?

Die Ergebnisse der Grundlagenforschung am Gehirn haben in der täglichen Praxis Konsequenzen, die ganz unterschiedliche medizinische Bereiche betreffen. So hat das bessere Verständnis der Bedeutung und Funktionsweise von Neurotransmittern dazu geführt, dass auch die physiologischen Ursachen neurologischer und psychischer Erkrankungen wie Depression, Schizophrenie, Parkinson und Alzheimer mittlerweile ein wenig besser verstanden werden. Auf dieser Grundlage wurden und werden in Zukunft neue medikamentöse Therapien für solche Krankheitsbilder entwickelt. Die Entdeckung, dass auch das erwachsene Gehirn die Fähigkeit zur Neubildung von Nervenzellen besitzt (Neurogenese) und die Erkenntnis, dass Neurotransmitter wie Serotonin und Noradrenalin die Bildung von Neuronen aus Stammzellen begünstigen können, eröffnen darüber hinaus zukünftige Therapieoptionen für die Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson oder Chorea Huntington (2).

 

Neue Erkenntnisse über die Signalübertragung zwischen Neuronen und über die Beteiligung bestimmter Hirnregionen an mentalen Leistungen, wie der Sinneswahrnehmung, machen die Entwicklung von immer besseren Neuroprothesen zur Wiederherstellung verlorener motorischer oder sensorischer Fähigkeiten möglich (2). Beispiele für sensorische Prothesen sind Cochleaimplantate, die bereits seit Jahren erfolgreich eingesetzt werden, aber auch Retina-basierte Prothesen, die sich noch im Entwicklungsstadium befinden (3). Bei motorischen Neuroprothesen sind Systeme in der Entwicklung, die mit einer Gehirn-Computer-Schnittstelle ausgestattet sind. Solche Brain-Computer-Interfaces basieren auf der Beobachtung, dass schon die Vorstellung eines Verhaltens messbare Veränderungen der elektrischen Hirnaktivität auslöst. Daher kann der Computer anhand der Hirnströme das beabsichtigte Bewegungsmuster erkennen und es in ein Signal umwandeln, mit dessen Hilfe die Prothese gesteuert wird (4).

 

Auch für das Themenfeld »Lernen und Gedächtnis« spielen die aktuellen Ergebnisse der Gehirnforschung eine wichtige Rolle. Demnach scheint das Gehirn über die gesamte Lebensspanne anpassungsfähiger zu sein, also eine höhere Plastizität zu besitzen, als bisher vermutet (2). So verbessert sich die synaptische Kommunikation zwischen den Nerven und das Gehirn legt neue neurale Pfade an (synaptische Plastizität), wenn etwas Neues gelernt wird (5). Hier scheinen die Gliazellen, die zweite große Gruppe von Gehirnzellen, eine wichtige Rolle zu spielen (lesen Sie hierzu Gliazellen: Mehr als Nervenkitt). Außerdem ist das Gehirn – entgegen früherer Auffassung – auch im Erwachsenenalter in der Lage, neue Nervenzellen zu bilden. Schließlich kann ein Mensch bei Bedarf neue Bereiche im Gehirn aktivieren, die kognitive Funktion übernehmen (funktionale Kompensationsplastizität). Das bedeutet zum einen, dass Schädigungen des Gehirns zum Beispiel infolge von Krankheiten oder Unfällen nicht zwangsweise irreparable geistige Beeinträchtigungen nach sich ziehen. Zum anderen sind auch bei älteren Menschen strukturelle Änderungen im Gehirn und damit ein Neulernen möglich. Zu beachten dabei ist, dass regelmäßige geistige Aktivitäten ebenso wie eine positive Lernerfahrung, etwa durch Belohnung, die Gehirnplastizität anregen (5).

 

Um die Struktur und Funktionsweise des menschlichen Gehirns noch besser als bisher zu verstehen und diese Erkenntnisse zukünftig auch in der Praxis umsetzen zu können, wurden jetzt mit dem »Human Brain Project« und der »BRAIN Initiative« zwei große internationale Forschungsprojekte initiiert.

 

Human Brain Project

Im Oktober 2013 startete mit dem »Human Brain Project« ein multidisziplinäres Großprojekt der Europäischen Kommission. Dessen Ziel ist es, das gesamte bestehende Wissen über das menschliche Gehirn zusammenzuführen und dieses dann auf Supercomputern in Modellen und Simulationen detailgetreu von der Genetik über die molekulare Ebene bis hin zur Interaktion ganzer Zellverbände nachzubilden. Um die dabei anfallenden immensen Datenmengen aufbereiten zu können, sollen verschiedene Supercomputing-Plattformen entwickelt werden. Das so entstandene virtuelle Modellgehirn bietet dann die Möglichkeit, die Struktur und Funktionsweise des gesunden, aber auch des erkrankten Gehirns besser zu verstehen. Dies ist zum Beispiel eine wichtige Voraussetzung, um neue Medikamente entwickeln und testen zu können. Gleichzeitig besteht die Aussicht darauf, dass sich mit dem menschlichen Gehirn als Vorlage in Zukunft neue leistungsstarke und energieeffiziente Computer- und Robotertechnologien entwickeln lassen (6–10).

 

Wie aufwendig dies ist, verdeutlicht die Forschungsarbeit von Wissenschaftlern vom Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin: Sie simulierten rund 1,73 Milliarden Neuronen mit 10 Billionen Synapsen auf einem japanischen K-Supercomputer. Um eine Sekunde Neuronenaktivität durchzurechnen, brauchte der Computer 40 Minuten, und war damit 2400 Mal langsamer als die Natur. Insgesamt belegte die Berechnung rund 1 Petabyte Speicherplatz, ähnlich viel wie der Arbeitsspeicher von 250 000 PCs, heißt es in einer Pressemitteilung des Instituts. Dabei entsprach das neuronale Netzwerk, das berechnet wurde, gerade mal 1 Prozent des gesamten Gehirns.

 

In das Human Brain Project sind rund 250 Forscher aus 23 Ländern involviert. Koordiniert wird das Projekt von dem Neurowissenschaftler Henry Markram an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL). Aus Deutschland sind verschiedene Partner an dem Projekt beteiligt: Neben dem Forschungszentrum Jülich, das über Europas schnellsten Supercomputer verfügt, ist dies die Universität Heidelberg, die die Plattform für »Neuromorphic Computing« bilden soll. Zudem nehmen weitere Wissenschaftlergruppen des Forschungszentrums Jülich sowie der Technischen Universität München teil. Das Projekt dauert voraussichtlich zehn Jahre (6–10).

 

Die BRAIN Initiative

 

Ein weiteres aktuelles Großprojekt aus dem Bereich der Gehirnforschung ist die sogenannte BRAIN Initiative (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) oder auch Brain Activity Map Project. Ziel des US-amerikanischen interdisziplinären Projekts ist es, die Aktivität sämtlicher rund 100 Milliarden Nervenzellen im Gehirn zu erfassen. Hierzu soll eine detaillierte Karte des menschlichen Gehirns erstellt und dabei dessen Abläufe sichtbar gemacht werden, ohne in die entsprechenden Prozesse einzugreifen. Möglich werden soll dies unter anderem durch Sensoren in Molekülgröße und Speichermedien, die aus DNA-Molekülen bestehen. Die beteiligten Wissenschaftler hoffen, durch das Projekt besser zu verstehen, wie sich Bewusstsein und Entscheidungsprozesse im menschlichen Gehirn bilden, aber auch wie psychische und neurologische Krankheiten entstehen und behandelt werden können (11,12).

 

Die BRAIN Initiative wurde Anfang 2013 initiiert und soll ab dem Jahr 2014 über einen Zeitraum von 10 bis 15 Jahren laufen. Beteiligt an dem Vorhaben sind verschiedene US-amerikanische Institutionen wie die National Institutes of Health (NIH) die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) und die National Science Foundation. Kooperationspartner sind das Howard Hughes Medical Institute und das Allen Institute for Brain Science (11,12). Mit dieser Initiative treten die US-Amerikaner in Konkurrenz zu dem europäischen Großprojekt: Der Wettlauf um die Kartierung des Gehirns hat begonnen. /

 

Literatur beim Verfasser

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