Das vernetzte Gehirn

Bis vor wenigen Jahren waren hunderte Studierende nötig, um diese Nervenzellverbindungen Schicht für Schicht aufzuzeichnen. Die Forschenden schneiden dafür das Gehirn in 30 Nanometer dünne Scheiben und befestigen die Gewebeschnitte auf einem Träger. Diesen schieben sie vorsichtig unter ein Elektronenmikroskop. Das feuert einen fein gebündelten Elektronenstrahl auf das Hirngewebe ab. Abhängig von den Molekülen, auf die es trifft, werden die Elektronen abgelenkt, oder es werden neue Elektronen aus dem Hirngewebe herausgeschlagen. Anhand der zurückgestreuten Elektronen lassen sich die Nervenzellen und ihre Verbindungen sichtbar machen.

Das komplette Konnektom des Menschen zu kartieren, ist mangels Speicherkapazität allerdings bisher ein aussichtsloses Unterfangen. Allein das Netzwerkgeflecht des Mäusehirns würde zwei Exabyte einnehmen. Das entspricht zwei Milliarden Gigabyte. Zum Vergleich: Alle Bücher der Menschheit beanspruchen 5000 Mal weniger Speicherplatz, nur knapp 100.000 Gigabyte.

Mittlerweile lesen immerhin selbstlernende Softwaresysteme die Elektronenmikroskopaufnahmen der Hirnschnitte aus. Das hat die Kartierung des Konnektoms, ob von Mensch oder Maus, enorm beschleunigt. Interpretieren müssen die Daten allerdings immer noch die Forschenden.

Überraschende Erkenntnisse

So manche Überraschung hat das Gewirr an Nervenfasern für Wissenschaftler wie Helmstaedter schon bereitgehalten. „Wir dachten eigentlich, dass die Nervenzellen alles innervieren, also Kontakte in alle Raumrichtungen aufs Geratewohl zu benachbarten Nervenzellen ausbilden. Das stimmt so nicht, wie wir 2019 aus den Konnektomdaten ableiten konnten. Die sind sehr viel wählerischer und kontaktieren ganz gezielt bestimmte Nervenzellen.“ Bilden sie mit einer Zelle eine Synapse aus, bleibt es in der Regel auch nicht nur bei einer, sondern die Verbindung wird mit weiteren Synapsen abgesichert. Zu manch anderen Nervenzellen, auch solchen in unmittelbarer Umgebung, besteht dagegen gar keine Verbindung.

Wie die Nervenzellen sich ihre Kommunikationspartner aussuchen, ist noch unklar, erklärt Helmstaedter weiter. Zwei Mechanismen diskutieren die Forschenden im Moment: Einerseits könnten sich zwei Nervenzellen über eine Art Schlüssel-Schloss-Prinzip finden. Molekulare Erkennungssignale aus den Zellen könnten vielleicht die entscheidenden Signale sein, die vermitteln, dass diese beiden Zellen zueinanderpassen. Zudem gehen aber die Dendriten, also die Nervenzellfortsätze, und die Axone, die beide die Synapse ausbilden, auch räumlich auf die Suche. „Sie ertasten und erschnuppern quasi, mit welcher Zelle sie sich verbinden“, erklärt Helmstaedter. Wie genau diese Nervenzellsensorik funktioniert, ist allerdings Gegenstand laufender Forschung.

Alles deutet aber darauf hin, dass sich Nervenzellen viel präziser vernetzen als einst vermutet. „Ein präziser Schaltplan ermöglicht einen höheren Informationsgehalt des Netzwerks. Ich kann genauer ablegen, was ich erwarte. Ich kann beispielsweise auch visuelle Eindrücke genauer interpretieren“, so Helmstaedter. Die Fähigkeit zum abstrakten Denken des Menschen könnte damit letztlich auch an der Präzision des Konnektoms liegen.

Und noch eine Überraschung wartete auf die Frankfurter Wissenschaftler, als sie den Schaltplan von Maus und Mensch miteinander verglichen. „Im menschlichen Gehirn finden wir drei Mal so viel hemmende Nervenzellen, die also das Feuern unterdrücken, wie in der Maus. Das ist ein sehr auffälliger Unterschied“, sagt Helmstaedter. Die hemmenden Nervenzellen hemmen sich allerdings vor allem selbst. Auf Netzwerkebene verfügt der Mensch sogar über zehn Mal so viel hemmende Neuronennetzwerke wie die Maus. „Wir vermuten, dass es diese Hemmung braucht, um Erregung länger aufrechtzuerhalten und somit beispielsweise einen Gedanken länger vorzuhalten. Die Hemmungsnetzwerke würden damit das sofortige Verschwinden kognitiver Information unterdrücken. „Es ist noch Spekulation. Aber vielleicht ermöglicht uns diese Besonderheit in unserem Konnektom, überhaupt erst komplexe Gedankengebäude aufzubauen.“ Dass Menschen im Geiste ihr Traumhaus bauen und es über Monate immer weiter gestalten können, wäre dann nur dank der hemmenden Neuronen möglich.

Das Sehen im Blick

Wie wichtig das Vorhalten kognitiver Informationen im menschlichen Gehirn ist, hat der Neurowissenschaftler Jens-Max Hopf vom Leibniz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg in seinen eigenen Experimenten erfahren. Längst ist man von der Vorstellung abgerückt, elektrische Signale würden im Gehirn nur in eine Richtung laufen: Vom Sehnerv zunächst zu niederen Arealen im Thalamus und dann nach und nach zu höheren Arealen der Hirnrinde. Sie nehmen im Konnektom keineswegs nur lineare Wege. Vielmehr werden sie in Bruchteilen von Sekunden auch wieder rückwärts weitergereicht und ausgewertet, wie Hopf am Beispiel des Sehens kürzlich nachgewiesen hat. Das aber kann nur funktionieren, wenn die Information in den niederen Arealen des Konnektoms noch vorhanden ist und sich nicht schon verflüchtigt hat. „Wir sehen rückwärts“, überschrieb sein Institut die entsprechende Pressemitteilung.

Seit vielen Jahren widmet sich Hopf einer besonderen Fähigkeit des Menschen, die als verdeckte Aufmerksamkeit bezeichnet wird. Hermann von Helmholtz beschrieb das Phänomen schon vor über hundert Jahren. Zu spüren bekommen wir es jeden Tag: Wenn wir an einer Ampel stehen und geradeaus schauen, können wir trotzdem am Rand unseres Sichtfeldes wahrnehmen, wenn sich eine Person neben uns stellt. Oder: Obwohl wir nicht wissen, wo sich eine Freundin in einer Menschenmenge befindet, können wir sie schon entdecken, wenn sie sich nicht direkt im Zentrum unseres Sichtfeldes befindet. Gewöhnlich richten wir unseren Blick dann sofort auf sie. Dabei machen wir eine Augenbewegung, die sogenannte Sakkade. Während dieser ist die Sehempfindlichkeit stark eingeschränkt. Deshalb ist es für uns schneller und damit von Vorteil, dass wir Dinge schon wahrnehmen können, bevor sie im Fokus des Sehfeldes sind.

Lange Zeit dachten Neurowissenschaftler, dass verdeckte Aufmerksamkeit sich aus der linearen Verarbeitung der Seheindrücke vom Sehzentrum über den primären visuellen Cortex bis in die höheren Areale des Cortex ergebe. Man vermutete, die elektrische Erregung pflanze sich vom Sehnerv kommend in höhere Arealen im Gehirn fort. Hopf konnte zusammen mit John Tsotsos von der kanadischen York University nachweisen, dass das nicht stimmt. Dafür unterzog Hopf 23 Studierende einem „Sehtest“ der besonderen Art: Sie mussten exakt in die Mitte eines Sehgerätes schauen, dann tauchten am Rand des Sehfeldes farbige Ringe mit einer kleinen Lücke nach links oder rechts auf. Diese Ringe heißen Landolt-C und werden bei jedem klassischen Sehtest verwendet. In Hopfs Experiment aber tauchten sie in sechs verschiedenen Farben nur für 300 Millisekunden ganz kurz am Bildrand auf. „Zu kurz für eine Sakkade“, erklärt Hopf, sodass die Probanden gut daran taten, wie angewiesen geradeaus zu starren. Die Probanden sollten mitteilen, in welcher Raumrichtung sich die Lücke im roten Landolt-C befindet – links oder rechts. In einem zweiten Durchgang mussten sie die Lücke im grünen Landolt-C ausmachen. Dank verdeckter Aufmerksamkeit war es den Studierenden möglich, die Öffnungsrichtung richtig zu erkennen.

Während des Experiments nahm Hopf ein Magnetenzephalogramm der Personen auf. Denn das Feuern ihrer Neuronen erzeugt sehr schwache Magnetfelder, die sich aufzeichnen lassen. „Wir können damit die Signale von tausenden bis zehntausenden Nervenzellen erfassen. Anschließend werten wir aus, wann und aus welchen Hirnarealen sie gekommen sind“, beschreibt Hopf das Vorgehen.

So erkannte er, dass die verdeckte Wahrnehmung beim Sehen immer die Rückwärtsverarbeitung der elektrischen Signale aus den höchsten kortikalen Hirnarealen zurück zum primären visuellen Cortex erfordert. Nur durch die rückwärtige Konnektivität und das Vorhalten der Informationen in den niedrigeren Arealen können wir am Rand des Sehfeldes auch etwas sehen, ohne den Blick dort hinzuwenden.

Der Befund passt gut ins gegenwärtige Verständnis, wie das Gehirn einen Seheindruck erzeugt: Die höheren kortikalen Areale und der primäre visuelle Cortex speichern sogar unterschiedliche Informationen des Gesehenen. Erst gemeinsam ausgelesen formt sich das Bild. „Die höheren Areale wissen, was ich sehe, aber sie wissen nicht, wo es sich im Raum befindet. Die niederen Areale wissen dagegen, wo sich das Objekt im Raum befindet, können aber nicht mitteilen, was es ist“, erklärt Hopf. Erst indem die Information aus den Arealen zusammengeführt wird, können die Probanden sagen, dass es sich um ein Landolt-C handelt und zu welcher Seite es geöffnet ist. Die bewusst abrufbare Information resultiert damit aus dem Konnektom.

„Das Verstehen und Selektieren von Seheindrücken gelingt nur, wenn die Signale im Gehirn von höheren Ebenen wieder rückwärts zu niederen Ebenen in der Hierarchie des Sehkortex laufen“, betont Hopf. Auf demselben Mechanismus beruht auch, dass wir die Farbe Rot etwa an den Ampeln einer Kreuzung gut erkennen. Die höheren Areale spielen dem primären visuellen Cortex die Information zu, rote Objekte besonders zu beachten. Das führt dazu, dass wir das Ampelsignal besonders schnell erkennen.

Rückwärtig verarbeitet werden aber nur ganz spezifische Sehinformationen, nie alles, was wir sehen, sagt Hopf. Das erklärt auch, warum wir zwar glauben, alles zu sehen, in Wahrheit aber kaum sagen können, was wir gerade gesehen haben. In seinen Vorlesungen zeigt er Studierenden eine Skyline von New York in verschiedenen Aufnahmen, mal mit einem markantem Hochhaus, mal ohne.

Die Studierenden merken das lang nicht, erzählt Hopf amüsiert. Es vergehen oft viele Minuten, bis einer Person auffällt, dass ein Hochhaus mal da ist und mal fehlt. „Das meiste, was wir sehen, ist nicht bewusst abrufbar“, sagt Hopf. „Nur, was rückwärts verarbeitet und zusammengeführt wird, ist zugänglich.“ Diese rückwärtige Konnektivität nutze das Gehirn nur sehr punktuell, auch weil sie sehr energieaufwendig ist. „Die Probanden sind deshalb nach unseren Experimenten mit den roten und grünen Landolt-Cs immer erschöpft.“

Richtig hinhören

Die Verschaltung im Gehirn spielt also nicht nur beim Denken und Fühlen eine Rolle, sondern schon bei der Frage, was wir sehen und was wir nicht sehen. Sie entscheidet sogar, wie gut Menschen hören können und wie aufwendig es für sie ist, richtig hinzuhören, beobachtete die Neurobiologin Nicole Angenstein vom Leibniz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg. Sie beschäftigt die Frage, wie Geräusche, Töne und Sprache im Gehirn verarbeitet werden und wie sich dieser Vorgang im Alter verändert.

Alle Klänge, die unser linkes Ohr erreichen, werden vorzugsweise in der rechten Hirnhälfte und dort schließlich im auditorischen Cortex verarbeitet. Signale, die über unser rechtes Ohr eintreffen, übernimmt indes bevorzugt der auditorische Cortex in der linken Hirnhälfte. Überdies haben rechte und linke Hirnhälfte unterschiedliche Stärken beim Verarbeiten akustischer Signale. Die rechte Seite hat eine höhere Frequenzauflösung, kann also Töne besser unterscheiden und beispielsweise auf diese Weise genauer Musik hören. Tatsächlich ist auch bei den meisten Menschen die rechte Hirnhälfte aktiv, wenn sie im Hirnscanner Musik hören. Die linke Hirnhälfte kann dagegen Töne besser zeitlich auflösen, kann also „muss“ gut von „Mus“ unterscheiden, weil bei „Mus“ das „u“ lang ausgesprochen wird, dagegen bei „muss“ nur kurz. Der linke Hörcortex ist deshalb besonders gefordert, wenn jemand mit uns spricht und wir die Worte unmittelbar hören und verstehen müssen. Der gesamte Höreindruck entsteht dann, indem höhere Areale des Gehirns die Informationen aus der linken und rechten Hirnhälfte zusammenführen.

Als Angenstein jedoch genauer nachforschte, musste sie erkennen: „Musik und Frequenzauflösung rechts, Sprache und zeitliche Auflösung links – das ist ein sehr grobes und vereinfachtes Bild.“ Sie spielte Probanden im Alter von 55 bis 75 Jahren einen Ton vor, dessen Tonhöhe abfiel oder anstieg. Die Teilnehmenden sollten sagen, ob der Ton tiefer oder höher werde. Zwar beanspruchte die Aufgabe tatsächlich überwiegend die rechte Hirnhälfte, das Vorzugsareal für Musik und Frequenzauflösung. Aber Angenstein fiel auf, dass die Teilnehmenden umso mehr Hirnareale benötigten, je älter sie waren. Sie vermutete einen Unterschied in der Verschaltung im Gehirn, weil das Arbeitsgedächtnis und die Aufmerksamkeit bekanntlich mit dem Alter nachlassen.

Mit einem Spezialverfahren schaute die Forscherin sich die Nervenfaserbündel in den Köpfen der Teilnehmenden an. Das Verfahren heißt Diffusionstensorbildgebung und zeigt an, in welcher Richtung sich das Wasser in den Nervenfasern ausbreitet. Man nimmt an: Nervenfasern mit intakter Myelinscheide, die die Fasern gleichsam mit einer Isolation umgibt und so die elektrische Erregungsleitung verbessert, transportieren mehr Wasser als degenerierte Fasern. Angenstein sah, dass ältere Probanden tatsächlich weniger Verbindungen zwischen linker und rechter Hemisphäre zwischen den beiden Hörcortices hatten. Ihr Konnektom war gewissermaßen spartanischer. „Um das zu kompensieren, brauchen sie mehr Areale und damit mehr Ressourcen im Gehirn, um gut zu hören“, erklärt die Forscherin.

Das erklärt auch die Beobachtung, dass Menschen mit zunehmendem Alter schlechter hören, auch, wenn ihre Ohren im Hörtest einwandfrei funktionieren. „Die Verschaltung im Gehirn ist weniger effizient als bei einer jüngeren Person“, so Angenstein.

Sie möchte nun ein Hörtraining entwickeln, das die Konnektivität im Gehirn beim Hören wieder verbessert. Nachdem Testpersonen drei Mal 25 Minuten Töne ansteigender oder absteigender Höhe hören und angeben mussten, wie sich die Tonhöhe verändert, zeigte sich schon ein Unterschied im Hirnscanner. „Das macht Hoffnung, dass ein Training die Verschaltung des Gehirns verbessern oder effizienter machen kann“, sagt Angenstein. Auffällig: Jene Probanden, die ihr erzählten, ein Musikinstrument zu spielen, taten sich in den Experimenten leichter.

Angensteins Vision eines Hörtrainings zugunsten des Konnektoms knüpft an eine zentrale Forschungsfrage an, die auch Helmstaedter derzeit umtreibt: Was bewirkt eigentlich, dass unser Konnektom sich im Laufe des Lebens weiter ausbildet? Ist es Lernen? „Natürlich entstehen auch neue Synapsen, wenn wir etwas lernen. Aber welchen Anteil diese prägbare Verschaltung hat und wie viele Synapsen zusätzlich spontan entstehen, wissen wir noch nicht genau. Erste Daten aus dem Mauskonnektom deuten darauf hin, dass der Anteil, der durch Lernen kommt, nur bei einem Drittel liegen könnte“, berichtet Angenstein.

Was aber triggert dann die übrigen zwei Drittel? Und ist die These des berühmten Schweizer Hirnforschers Henry Markram am Ende wahr, dass Kinder sogar schon mit Wissen geboren werden, das sie nie erlernt haben und das schlicht in ihrem Konnektom hinterlegt ist? „Innate knowledge“ nennt er es. „Vielleicht“, sagt Helmstaedter. „Es bleibt extrem spannend!“