Wie Hirnforscher die Rätsel des Gehirns entschlüsseln wollen
Seite 2: Von der Gehirnentwicklung zum Computer-Gehirn
Die Entwicklungsneurowissenschaft erforscht, wie sich Struktur und Funktion des Gehirns im Laufe der Zeit verändern, wenn ein Organismus heranreift. Unklar ist, wie einzelne Neuronen ihren Weg an den richtigen Platz im Gehirn finden. Das Verständnis der Gehirnentwicklung – und der Ursachen von Fehlentwicklungen - könnte uns helfen, Krankheiten wie Mikrozephalie, Autismus und ADHS zu bekämpfen. Und wenn wir wissen, wie sich Ereignisse vor der Geburt und in der Kindheit auf die Struktur und Funktion des sich entwickelnden Gehirns auswirken, können wir Kindern die besten Voraussetzungen für eine gesunde Entwicklung bieten.
Madeline Lancaster vom Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology im Vereinigten Königreich untersucht die Entwicklung des Gehirns mit Hilfe von Organoiden, dreidimensionalen Zellclustern, die aus menschlichen Stammzellen gewonnen werden und sich selbst zu einem vereinfachten, aber dennoch gehirnähnlichen Organ in Miniaturformat organisieren. Um das menschliche Gehirn genauer zu modellieren, stellt sie Organoide her, die länger leben und verschiedene Arten von Gehirnstrukturen nachbilden.
Mit diesem Ansatz hat Lancaster entdeckt, dass ein Protein namens ZEB2 entscheidend für die Regulierung der bemerkenswerten Entwicklungsexpansion ist, die das menschliche Gehirn so viel größer macht als das von Affen. Das Verständnis der Prozesse, die die Gehirngröße bestimmen, könnte uns helfen, die Ursachen von Mikrozephalie und anderen Störungen, bei denen sich das fötale Gehirn nicht richtig entwickelt, besser zu ergründen.
Auch die Gehirnentwicklung nach der Geburt ist wichtig. Rebecca Saxe am MIT arbeitet daran, die Gehirnstrukturen und -aktivitäten zu verstehen, die für die soziale Kognition verantwortlich sind, die es uns ermöglicht, den mentalen Zustand anderer Menschen zu verstehen.
Saxe hat eine bestimmte Hirnregion entdeckt, die eine Schlüsselrolle spielt. Wenn sie untersucht, wie sich die Aktivität in dieser und anderen Regionen im Laufe der Kindheit verändert, kann sie möglicherweise nachvollziehen, wie sich soziale Fähigkeiten entwickeln. Sie hat auch festgestellt, dass diese Hirnaktivitätsmuster bei Menschen mit Autismus-Spektrum-Störungen verändert sind.
Auch wenn die Forscher beginnen, einige der Prozesse zu verstehen, die die Entwicklung steuern, und Dinge identifiziert haben, die sie entgleisen lassen können, sind wir noch weit davon entfernt, eingreifen zu können, wenn solche Probleme auftreten. Aber wenn wir neue Erkenntnisse gewinnen, könnten wir eines Tages Therapien oder andere Möglichkeiten zur Bewältigung dieser Entwicklungsprobleme testen.
Computer, die das Gehirn imitieren
Die computergestützte Neurowissenschaft setzt auf mathematische Modelle, um einen besseren Einblick darin zu erhalten, wie Netzwerke von Gehirnzellen uns dabei helfen, zu interpretieren, was wir sehen und hören, neue Informationen zu integrieren, Erinnerungen zu schaffen und zu speichern und Entscheidungen zu treffen. Wenn man versteht, wie die Aktivität der Neuronen Kognition und Verhalten steuert, könnte dies zu Möglichkeiten führen, das Gedächtnis zu verbessern oder Krankheitsprozesse zu verstehen.
Terry Sejnowski, ein Neurobiologe am Salk Institute, hat ein Computermodell des präfrontalen Kortex erstellt und dessen Leistung bei einer Aufgabe analysiert, bei der ein Mensch (oder eine Maschine) Karten nach einer sich ständig ändernden Regel sortieren muss. Während sich Menschen gut anpassen können, tun sich Maschinen im Allgemeinen schwer damit. Aber Sejnowskis Computer, der die im Gehirn beobachteten Muster des Informationsflusses nachahmt, hat diese Aufgabe gut gelöst. Diese Forschung könnte Maschinen helfen, mehr wie Menschen zu "denken" und sich schneller an neue Bedingungen anzupassen.
Aude Oliva, die MIT-Direktorin des MIT-IBM Watson AI Lab, verwendet computergestützte Werkzeuge, um zu modellieren und vorherzusagen, wie Gehirne visuelle Informationen wahrnehmen und erinnern. Ihre Forschung zeigt, dass verschiedene Bilder bestimmte Aktivitätsmuster sowohl im Kortex von Affen als auch in neuronalen Netzwerkmodellen hervorrufen und dass diese Muster vorhersagen, wie ein bestimmtes Bild im Gedächtnis bleibt.
Forschungen wie die von Sejnowski könnten "intelligentere" Maschinen inspirieren, aber sie könnten uns auch helfen, Störungen zu verstehen, bei denen die Funktion des präfrontalen Kortex verändert ist, darunter Schizophrenie, Demenz und die Auswirkungen von Kopftraumata.