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Der vermessene Mensch (6) Das kartierte Gehirn

Bei jedem Knistern feuert eine Nervenzelle. Sie schickt eine elektrische Erregung auf die Reise, die sogenannten Aktionspotenziale. Permanent rasen diese in Nervenbahnen zwischen den Neuronen hin und her. Signale, mit denen das Gehirn Informationen austauscht. Forscher können inzwischen hörbar machen, was Nervenzellen tun. Man müsse dieses Treiben verstehen, sagen die Hirnforscher, um zu wissen, was der Mensch eigentlich ist. 

Das Gehirn ruht nie

Das Gehirn ruht nie

Milliarden von Neuronen formieren sich zu dicht gepackten Säulen und Arealen. Die Hirnforscher suchen nach der Struktur in diesem Zellgewirr, nach Mustern in den Entladungen. Welche gemeinsame Ordnung steckt hinter den tausendstel Millimeter kleinen Neuronen und den zentimetergroßen Arealen im Großhirn, in denen sich die Nervenzellen organisieren und vielfach miteinander wechselwirken?

Gehirn in Scheiben

Aufnahmen von aktiven Gehirnregionen

Aufnahmen von Gehirnregionen

Forscher bemühen sich, das gesamte Gehirn mit seinen vermutlich 86 Milliarden Nervenzellen zu vermessen.  Eine gigantische Aufgabe. Im Histologie-Labor des Forschungszentrums Jülich versucht ein Team noch genauer als bisher in den Kosmos des Gehirns einzudringen. Auf einem Mikrotom klemmt ein menschliches Gehirn. Mit leichtem Zittern wird es in die messerscharfe Klinge bewegt. Eine hauchdünne Hirnscheibe fällt herab. Das Gehirn wird zurückgefahren, um erneut durch die Klinge zu schneiden und eine neue Scheibe wird abgetrennt. Immer und immer wieder. 6.000 bis 8.000 fein säuberliche Schnitte fertigt das Gerät von jedem Gehirn an, das man ihm zuführt.

Jedes Hirn ist anders

Im Jülicher Medizinischen Zentrum arbeitet man seit mehr als 20 Jahren an einer Karte des menschlichen Gehirns, die jeweils um die allerneuesten Erkenntnisse der Hirnforschung ergänzt wird. Wo verändert sich die Dichte bestimmter Zelltypen so, dass man sagen kann: Hier endet ein Areal und ein neues beginnt? Wie lässt sich das Gehirn insgesamt in Regionen unterteilen, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen und größere Netzwerke bilden?

Schematischer Aufbau des menschlichen Gehirns

Schematischer Aufbau eines menschlichen Gehirns

Zwar gibt es einige ältere Hirnatlanten, aber sie tun so, als gäbe es nur ein Gehirn, das für alle Menschen gleich ist ein. Heute aber wissen die Forscher, dass Gehirne sich verändern können und sich von Mensch zu Mensch unterscheiden. Das Areal für die Sprache zum Beispiel kann bei einem Menschen mehrere Zentimeter größer sein als bei einem anderen. Oder mehr rechts oder links liegen. Deshalb sind die Forscher der Ansicht, dass es nur noch eine probabilistische Hirnkartierung geben kann.

Wahrscheinlich dynamisch

Probabilistisch heißt: an Wahrscheinlichkeiten orientiert. Weil sich menschliche Gehirne individuell unterscheiden, geben die Jülicher Forscher auf der Basis von 10 Gehirnen an, wie wahrscheinlich ein Areal wo zu finden ist. Dabei orientieren sie sich an sogenannten Voxels, an stecknadelkopfkleinen Raumeinheiten, in die man das Gehirn aufteilt. Das Gehirn wird so als flexibles Organ kartographiert, das sich auch verändern kann. Die Karte vom Gehirn wird dynamisch.

Grafik eines menschlichen Gehirns

Durch eine räumliche Einteilung des Gehirns in Voxel zur Kartierung


Gehirnkarten für alle

Eine Kamera über dem Jülicher Mikrotom macht vor jedem Schnitt eine Fotografie der Hirnfläche. Die abgetrennten Scheiben wandern dann auf einem Transportband weiter und werden als zusammenhängende Serie gesammelt. Eine Auswahl dieser Schnitte wird eingefärbt. Dadurch treten die Zellmuster auf den einzelnen Scheiben deutlich hervor. Alle diese Daten werden schließlich digitalisiert und mithilfe der Fotografien in ein dreidimensionales Modell des Gehirns verwandelt, das im Computer dargestellt werden kann. Das Ergebnis wandert zur freien Nutzung für die Wissenschaftlergemeinde ins Internet. Ein Meilenstein der Hirnanatomie.

Jedes Areal ist anders

Die Hirnareale unterscheiden sich nicht nur von Mensch zu Mensch, sondern auch untereinander. Das Areal, das für Sprache zuständig ist, ist anders aufgebaut als das für Bewegung oder Erinnerung, und so weiter und so fort. Um die Ordnung hinter dieser Vielfalt zu entdecken, gehen die Jülicher Forscher mehrschichtig vor: Sie untersuchen nicht nur die Zellarchitektur, also Dichteunterschiede des Zellgewebes, um Areale voneinander abzugrenzen. Sie fahnden auch nach sogenannten Rezeptoren. Das sind Ankerplätze an den Nervenzellen, an denen bestimmte Botenstoffe wie die Transmitter Dopamin oder Adrenalin andocken können. Transmitter und Rezeptoren sind für den Signalverkehr im Gehirn sehr wichtig. Untersucht man sie, stößt man auf eine eigene Feinstruktur des Gehirns.

Rezeptoren als Kopplungen

Darstellung von Nervenzellen und ihren Verbindungen

Darstellung von Nervenzellen und ihren Verbindungen

Sprache wird zum Beispiel in räumlich voneinander entfernten Regionen des Gehirns verarbeitet. Aber diese Sprachareale teilen gemeinsame Rezeptoren, die sich zum Beispiel von denen für das Erinnerungsareal unterscheiden. Rezeptoren können also Hirnregionen sowohl voneinander trennen als auch miteinander verbinden. Und es wird noch komplizierter. Denn es gibt noch eine dritte Ebene, auf der sich das Gehirn einteilen lässt: die der Genexpression, der Art und Weise, wie und wo Gene ihre Wirkung entfalten. Verschiedene Gene sind an unterschiedlichen Orten des Gehirns aktiv, um dort den Zellaufbau zu organisieren. Daher lässt sich auch eine Genkarte des Gehirns erstellen. Mikroskopisch kleine Zellen, Rezeptor-Moleküle und Genexpression: Lässt sich dass alles überhaupt noch zu einer einheitlichen Hirnkarte zusammenfügen?

Die Vermessung des Geistes

In Jülich kann man inzwischen mit einer neuartigen Methode die Verbindungswege zwischen und innerhalb der Hirnareale sichtbar machen. Weltweit arbeiten die Hirnforscher daran, den Code zu knacken, mit dem innerhalb dieser Nervenbahnen Signale fließen. Forschungen, die letztlich das Ziel haben, auch den menschlichen Geist zu vermessen. Wie organisiert das Gehirn Denken, Fühlen, Träumen, Handeln, Erinnern und Sprechen? Und auch der Einfluss der Lebensbedingungen auf die Hirnstruktur wird untersucht.

Die Psyche sitzt im Gehirn

Gesprächs-Situation zwischen junger Frau und Psychotherapeutin

Auch für psychische Störungen gibt es zuständige Gehirnregionen

Bisher aber reichen die Messverfahren der Hirnforschung nicht aus, um das veränderliche individuelle Gehirn eindeutig erfassen zu können. Das zeigt sich auch, wenn Hirnforscher psychiatrische Störungen erkennen wollen: Krankheiten wie Schizophrenie, Depression oder Angststörung werden bis heute ausschließlich anhand von Symptomen diagnostiziert. Jemand ist etwa dann depressiv, wenn er zwei Wochen lang mindestens fünf von neun möglichen Symptomen aufweist: zum Beispiel Stimmungsveränderung, Schlaflosigkeit, Konzentrations- und Denkstörungen, Gefühle der Wertlosigkeit und Suizidgedanken. Viele dieser Symptome tauchen aber auch bei anderen Störungen auf. Hirnforscher versuchen schon seit längerer Zeit, die Situation von psychisch erkrankten Menschen zu verbessern. Sie untersuchen, welche Hirnareale zum Beispiel bei einer Psychose gestört sind: das Areal für die Wahrnehmung sinnlicher Reize, für das Gedächtnis, das Denken, Fühlen oder Sprechen? Mit bisher geringem Erfolg. Die Überlappungen der Ergebnisse von Gesunden und Erkrankten sind zu groß.

Noch viel Forschung nötig

Viele Forschungsprojekte laufen zur Erforschung des Gehirns, zum Teil mit viel Geld von der EU gefördert. Sie arbeiten nicht nur mit echten Gehirnen, sondern auch mit mathematischen Methoden und speziellen Neurochips, die Vorgänge simulieren. Forscher arbeiten engagiert an diesen Projekten. Ob man in absehbarer Zeit ein vollständiges Gehirn vermessen und simulieren kann, ist aber fraglich. Die Forscher hoffen einfach, bessere Modelle über das Gehirn zu finden als bisher. Nicht mehr und nicht weniger.