Wie ist unser Gehirn gestrickt?

Ihre Probanden hat sie nicht geschont: „Merken Sie sich folgende Begriffe“, lautete die Aufgabe auf einem Zettel mit etlichen Wörtern, und nach einiger Zeit fragte ein Studienmitarbeiter die Begriffe ab. Dann, nach wiederum langem Warten, kam die erneute Nachfrage: Was ist jetzt noch in der Erinnerung geblieben? „Ein klassischer Gedächtnistest“, sagt Svenja Caspers vom Forschungszentrum Jülich, die die Studie mitentwickelt hatte. Die eigentliche Besonderheit ist die Kombination der Tests mit anderen Untersuchungen: Aufmerksamkeitstests, motorische Übungen, Kernspintomografieaufnahmen des Gehirns, dazu seitenlange Fragebögen zum Lebensstil und zur Lebenssituation sowie Laboruntersuchungen.

„Von 2001 bis in die Gegenwart ist da ein unfassbarer Datenschatz zusammengekommen“, sagt Svenja Caspers, die mit Kollegen jetzt daran arbeitet, diesen Schatz zu erschließen. 1.000-Gehirne-Studie heißt das spektakuläre Projekt, von dem sich die Hirnforscher weitreichende Erkenntnisse versprechen: Es könnte zu einem der Mosaiksteinchen werden, die Wissenschaftler seit Jahrzehnten in mühevoller Kleinarbeit aufdecken, um das große Ganze zu erkennen. Mediziner, Neurowissenschaftler, Biologen und Psychologen nähern sich dem Gehirn von verschiedenen Seiten, um seinen Funktionsweisen auf die Schliche zu kommen. Sie studieren haarfeine Schnitte von Gehirnen, sie messen die Aktivitäten und Verknüpfungen verschiedener Hirnregionen, sie untersuchen das Verhalten und die Lernfähigkeit von Affen und Tauben und versuchen, das Gedächtnis und das Vergessen gleichermaßen zu verstehen – aber trotzdem: „Das Gehirn mit seinen verschiedenen Organisationsebenen von der einzelnen Nervenzelle bis zu den großen Netzwerken von Gehirnregionen ist eines der komplexesten Organe des Menschen“, sagt Svenja Caspers. „Und wenn im Gehirn eines Patienten irgendetwas nicht mehr funktioniert, kann man derzeit häufig nicht oder nur unzureichend helfen. Es fehlt selbst das Grundlagenverständnis.“

Zudem sei jetzt die Tür geöffnet zu einer ganzen Reihe von Folgeuntersuchungen: Wie viel Schaden richten welche Faktoren im Gehirn konkret an? Und lässt er sich kompensieren durch gesundes Verhalten in einem anderen Bereich? Daraus ergeben sich dann weitere denkbare Zusammenhänge, zum Beispiel zur Konnektivität im Gehirn. Das ist eine der Fragen, denen sich Svenja Caspers am liebsten widmet. „Generell versucht ein alterndes Gehirn, seine verloren gegangene Leistung zu kompensieren, indem es andere Bereiche des Gehirns mit hinzuzieht, die für die konkrete Aufgabe eigentlich nicht zuständig sind“, erläutert sie. Das Gehirn sucht sich also Hilfe: Während ein junger Mensch drei oder vier Gehirnregionen für eine Rechenaufgabe benötigt, kann ein älterer Mensch die gleiche Aufgabe auch problemlos lösen – bei ihm aber muss sich das Gehirn noch Ressourcen aus anderen Hirnbereichen hinzuziehen. „Wenn die Aufgaben jetzt immer schwieriger werden“, sagt Svenja Caspers, „hat der ältere Mensch also eher Probleme als der jüngere, weil er nicht mehr so viele Reserven hat.“ Und damit beginnen für sie die interessanten Forschungsfragen: Wie funktioniert das Zusammenspiel der Gehirnregionen? Wie sind sie miteinander verkabelt? Unter welchen Bedingungen und in welchem Maße kann das Gehirn seine alters- oder krankheitsbedingten Verluste ausgleichen? „Plastizität“ nennen die Hirnforscher diese ganz besondere Fähigkeit des Gehirns, sich ständig zu entwickeln, umzubauen, anzupassen.

Dieser faszinierenden Eigenschaft ist auch Wolf Singer auf der Spur. Er ist Gründungsdirektor des gerade neu entstandenen Frankfurter Ernst Strüngmann Instituts. Der 77-Jährige gilt als Doyen dieses Forschungsbereichs in Deutschland. Am Anfang der Hirnforschung herrschte noch das Bild der Reiz-Reaktions-Maschine vor: Die Augen oder Ohren nehmen einen Reiz auf, der in neuronale Erregung umgewandelt wird, bis am Schluss eine motorische Reaktion herauskommt. So sei es aber gewiss nicht, das wisse man inzwischen, sagt Wolf Singer. Stattdessen sei im Gehirn ein riesiger Schatz an Vorwissen gelagert, der ähnlich funktioniere wie ein Filter, über den alle Wahrnehmungen permanent interpretiert, geordnet und verarbeitet werden. Wolf Singer spricht von „extrem komplexen, raumzeitlich strukturierten Wolken von neuronaler Aktivität“ – ein ungeheures Netzwerk, in dem Informationen verarbeitet werden und das sich mit jeder neuen Information neu zusammensetzt. Klingt abstrakt? Wolf Singer veranschaulicht es mit einem Beispiel: „Stellen Sie sich vor, Sie hätten drei unabhängige Pendel. Deren Schwingungen lassen sich mit einem einfachen mathematischen Formalismus berechnen“, sagt er – und setzt an zum nächsten Schritt: „Wenn Sie die drei Pendel mit einem Gummifaden koppeln, sodass sich deren Schwingungen gegenseitig beeinflussen, dann entsteht eine hochkomplexe nichtlineare Dynamik, die sich mathematisch nicht mehr fassen lässt. Ähnlich verhält es sich mit der Dynamik neuronaler Netzwerke – nur dass wir da nicht von drei Neuronen reden, sondern von vielen Milliarden Neuronen, die alle untereinander verkoppelt sind. Die Netzwerke in unserem Gehirn entwickeln eine Dynamik, deren Komplexität wir uns schlicht nicht vorstellen können.“

Trotz der Komplexität dringen die Hirnforscher immer weiter vor auf der Suche nach den Geheimnissen dieser Dynamik. Thomas Wolbers setzt dafür auf ein spezielles Hilfsmittel: Der Psychologe leitet in Magdeburg die Arbeitsgruppe Altern und Kognition am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) – und setzte bei einem Forschungsaufenthalt in Kalifornien zum ersten Mal eine Virtual-Reality-Brille auf. „2006 war das, die Brille war groß, schwer und hatte eine schlechte Auflösung“, erinnert sich Thomas Wolbers und lacht. „Ich weiß noch genau, dass man in der Simulation durch einen Pariser Bahnhof laufen konnte.“ Trotz aller Mängel der neuen Technik war der Psychologe sofort elektrisiert: Er erkannte gleich, dass diese Virtual-Reality-Brillen der perfekte Turbo für seine Forschung sein würden.

Sein großes Thema ist die Navigation. Er sucht nach den Mechanismen, mit denen sich das menschliche Gehirn im Raum orientiert. Für ihn ist das ein Bereich, der als Schlüssel dienen kann – als Türöffner zum tieferen Verständnis des gesamten Denkens. Vordergründig orientiert sich der Mensch anhand von visuellen Reizen; er merkt sich, dass es in seinem Heimatort hinter der Kirche rechts zum Metzger geht und dass bei seinen Freunden die Gästetoilette neben der Treppe untergebracht ist. Aber dann gibt es noch ein hochkomplexes System von Orientierungszellen, die selbst bei kompletter Finsternis registrieren, ob man sich nach vorne oder hinten bewegt, in welchem Winkel man sich dreht und so weiter. 

Eine zentrale Funktion übernehmen sogenannte Gitterzellen, für deren Entdeckung 2014 der Nobelpreis verliehen wurde. Sie bilden im Gehirn eine Art Bezugssystem für die räumliche Orientierung. Beheimatet sind sie in einer Gehirnregion namens entorhinaler Cortex. „Das Spannende ist: Genau dieser entorhinale Cortex ist bei Demenz besonders früh betroffen“, sagt Thomas Wolbers. Er folgert daraus zweierlei: Erstens müsste es doch möglich sein, Demenzen mithilfe von Orientierungstests schon zu diagnostizieren, bevor die Patienten sie im Alltag selbst bemerken. Und zweitens müssten sich diesem offenbar besonders sensiblen Bereich des Gehirns Geheimnisse entlocken lassen, die Rückschlüsse auf das Funktionieren des Gedächtnisses zulassen.

"Das Denken lässt sich aus zwei Richtungen erkunden" - Der Bochumer Gehirnforscher Onur Güntürkün erzählt über seine Versuche mit Tauben – und darüber, warum neben Medizinern und Biologen auch Psychologen nötig sind, um das Denken zu entschlüsseln.