Wie Hirnforscher die Rätsel des Gehirns entschlüsseln wollen

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Soviel steht fest: Es gibt kein größeres wissenschaftliches Rätsel als unser eigenes Gehirn. Es besteht in der Mehrheit aus Wasser, der Rest ist größtenteils Fett. Und doch produziert dieser etwa 1,5 Kilo schwere Klumpen Materie unsere Gedanken, Erinnerungen und Gefühle. Er bestimmt, wie wir mit der Welt interagieren – und steuert unseren Körper.

Die Forschung schafft es mittlerweise zunehmend, die Komplexität seiner Funktionsweise zu entschlüsseln – und zu verstehen, wie die 86 Milliarden Neuronen im menschlichen Gehirn ihre Verbindungen herstellen, Ideen und Gefühle und Kommunikation hervorbringen und uns reagieren lassen auf unsere Umwelt. Doch was sind die neuesten Forschungsergebnisse? Ein kleiner Einblick.

Wie erzeugt eine Ansammlung von Zellen überhaupt Gedanken und menschliches Verhalten?

Kognitionswissenschaftler untersuchen, wie Proteine, Gene und die Strukturen unseres Gehirns geistige Prozesse hervorrufen. Wie lernt und merkt sich das Gehirn Dinge? Wie trifft es Entscheidungen? Wie verarbeitet es die Welt und wie reagiert es auf sie?

Das Verständnis des Gedächtnisses kann uns bei der Behandlung von Krankheiten wie Alzheimer helfen. Wenn wir verstehen, wie der Belohnungsapparat funktioniert, hilft uns das bei der Bekämpfung von Sucht. Verstehen wir die Emotionen, kann das neue Anhaltspunkte für die Vorbeugung von Depressionen liefern.

Sheena Josselyn, eine Neurowissenschaftlerin am Hospital for Sick Children in Toronto, untersucht, wie und wo das Gehirn Erinnerungen speichert. Sie sagt, dass die Identifizierung dieser neuronalen Schaltkreise – miteinander verbundene Gruppen von Neuronen –, die für die Speicherung bestimmter Erinnerungen verantwortlich sind, der Schlüssel zur Behandlung von Gedächtnisstörungen sein könnte, da es nicht optimal ist, jemandem einfach ein Medikament zu verabreichen, das das gesamte Gehirn beeinflusst.

"Wir können das Gehirn nicht wie einen Teller Suppe behandeln – im Sinne von: wenn wir ein bisschen Oregano dazugeben, wird alles besser", sagt Josselyn. "Wir müssen genau verstehen, wo wir ansetzen wollen." Um gezieltere Behandlungen zu entwickeln, möchte sie die Neuronen und neuronalen Schaltkreise besser verstehen, die wichtig sind, "um ein Gedächtnis zu bilden, Erinnerungen zu speichern und abzurufen".

Kürzlich hat Josselyns Labor einen neuen Signalweg identifiziert, der für das Abrufen älterer Erinnerungen wichtig ist. Dieser Pfad führt vom Hippocampus – einer Gehirnregion, die Lernen und Gedächtnis steuert – zum Thalamus, der als eine Art Relaisstation für sensorische Informationen im Gehirn fungiert. Als die Forscher diesen Signalweg bei Mäusen ausschalteten, konnten sich die Tiere an ein Erlebnis vom Vortag erinnern, nicht aber an eines vom Vormonat.

Kay Tye, Professor für Neurowissenschaften am Salk Institute, untersucht die Nervenbahnen, die am Lernen und an Emotionen wie Einsamkeit beteiligt sind, um etwa Drogenmissbrauch und Angstzustände zu erforschen. Tyes Labor hat einen Signalweg identifiziert, der dazu beiträgt, das Verhalten zu steuern, wenn gleichzeitig positive und negative Signale ankommen. Sobald wir die Hirnregionen, Nervenbahnen und Neurotransmitter, die an Gedächtnis oder Angst beteiligt sind, besser verstehen und wissen, wie diese verändert werden können, dürften wir auch präzisere Strategien zur Behandlung von Krankheiten entwickeln.

Das Denken liegt in auch in unseren Genen

Das Gebiet der Neurogenetik untersucht, wie Gene die Struktur und Funktion des neuronalen Systems beeinflussen. Wenn es uns gelingt, die Rolle der Gene zu ermitteln, können wir möglicherweise Gehirnkrankheiten genauer und präziser diagnostizieren oder sogar eingreifen, um ihr Fortschreiten aufzuhalten.

Steven McCarroll, Direktor für genomische Neurobiologie am Stanley Center for Psychiatric Research des Broad Institute, untersucht Gene, die mit Schizophrenie in Verbindung stehen. In Zusammenarbeit mit einem Forscherteam hat er Varianten eines Gens identifiziert, das mit dieser Erkrankung in Verbindung gebracht wird. Diese Varianten erzeugen einen höheren Anteil von einem Protein, das an der Entfernung neuronaler Verbindungen beteiligt ist.

Als McCarroll und seine Kollegen die Expression des Gens bei Mäusen erhöhten, verfügten die Mäuse über weniger Synapsen. Ihr Arbeitsgedächtnis war beeinträchtigt und ihr Sozialverhalten veränderte sich. Die Forscher vermuten, dass diese genetischen Variationen mit Synapsenverlusten und Verhaltensänderungen zusammenhängen könnten, die bei Menschen mit Schizophrenie beobachtet werden.

Ein weiteres Beispiel: Ying-Hui Fu, Professor für Neurologie an der University of California San Francisco, hat drei verschiedene Genmutationen identifiziert, die den Schlafbedarf von Menschen verringern. Eine davon schützt sogar vor den Gedächtnisproblemen, die normalerweise mit Schlafentzug einhergehen. Andere Forscher suchen nach Genen, die Menschen relativ gesund halten, auch wenn sie andere Gene tragen, die sie eigentlich für ein frühes Auftreten der Alzheimer-Krankheit anfällig machen.

Sobald die Wissenschaft herausfindet, wie Gene zu neurologischen Krankheiten beitragen, können sie möglicherweise Behandlungen entwickeln. Medikamente könnten etwa die Wirkung von Proteinen blockieren, die von einem krankheitsverursachenden Gen produziert werden. Auch Wirkungen schützender Gene könnten so nachgeahmt werden. Es werden auch Gentherapien erforscht, um schädlichen Gene auszuschalten. Eine solche Behandlung für die neurologische Krankheit Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) wurde in den USA für Studien zugelassen; ein Versuch zur Gentherapie der Huntington-Krankheit ist zudem bereits im Gange.

Wir bauen uns unser Gehirn

Neuroingenieure suchen seit Jahren nach Möglichkeiten, das Nervensystem – einschließlich des Gehirns – mit Maschinen zu verbinden. Experimentelle Geräte können mittlerweile Hirnaktivitäten in Text übersetzen oder künstliche Gliedmaßen bewegen; einige Systeme wandeln Informationen von künstlichen Sensoren in Nervenstimulationen um, die das Gehirn verstehen kann.

Die Technologie kann dazu beitragen, dass gelähmte oder amputierte Menschen wieder kommunizieren, Empfindungen wahrnehmen und sich wieder bewegen können. Hirnstimulierende Implantate bieten möglicherweise auch neue Möglichkeiten zur Behandlung von Epilepsie, chronischen Schmerzen und Erblindung.

Neuroingenieure in Stanford nutzen Messungen der Gehirnaktivität, um Funktionen bei Gelähmten wiederherzustellen. Kürzlich implantierten die Forscher bei einem vom Hals abwärts gelähmten Mann zwei Arrays winziger Elektroden in den Teil seines Gehirns, der für die Handbewegung zuständig ist. Während der Mann sich vorstellte, Buchstaben zu schreiben, nutzten die Wissenschaftler maschinelles Lernen, um seine Gehirnaktivität in Buchstaben auf einen Bildschirm zu bringen. Mit diesem System konnte der Mann 90 Buchstaben pro Minute schreiben – mehr als das Doppelte des bisherigen Rekords für das Tippen mittels Gehirnaktivität.

Andere Neuroingenieure entwickeln Prothesen, die sensorische Informationen an den Benutzer zurückübertragen können. Luke Osborn von der Johns Hopkins University arbeitet an Möglichkeiten zur Übertragung verschiedener Arten von Empfindungen bei Menschen, die eine Amputation hinter sich haben, indem die Nerven in den Gliedmaßen oberhalb der Amputationsstelle stimuliert werden. Bislang können die Geräte Druckempfindungen und sogar leichte Schmerzen übertragen. Schmerzempfindungen sind eine wichtige Informationsquelle, sagt Osborn, denn sie zeigen uns an, wenn wir möglicherweise etwas Gefährliches tun. Das fehlt Amputierten natürlich.