Das vernetzte Gehirn

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 5.000-mal weniger Speicherplatz, nur knapp 100.000 Gigabyte.

Überraschende Erkenntnisse

So manche Überraschung hat das Gewirr an Nervenfasern für Wissenschaftler wie Helmstaedter schon bereitgehalten. Etwa ist es gar nicht so chaotisch, wie es den Anschein hat. „Wir dachten eigentlich, dass die Nervenzellen Kontakte in alle Raumrichtungen aufs Geratewohl zu benachbarten Nervenzellen ausbilden. Aber sie sind sehr viel wählerischer und kontaktieren ganz gezielt bestimmte Nervenzellen, wie wir 2019 aus den Konnektomdaten ableiten konnten.“

Während sie zu manch direktem Nachbarn gar keine Verbindung aufbauen, führen einige Nervenfasern bis hin zu entlegenen Zellen. Mindestens zur Hälfte kontaktieren Neuronen andere in entfernt liegenden Hirnarealen. So bilden sich Erregungsleitungen quer durch das Hirn aus, etwa vom visuellen Kortex im Hinterhaupt bis zum primären motorischen Kortex zentral unter der Schädeldecke.

Nicht einmal die Position der Synapsen ist zufällig, sondern genau definiert, entdeckte Helmstaedter. Die kleinste Kommunikationseinheit besteht dabei nicht aus zwei, sondern immer aus drei Nervenzellen, einem Triplet. Die erregende Nervenzelle kann ihre Information nicht ungehindert an eine Empfängerzelle senden. Eine hemmende Nervenzelle unterdrückt die Datenübertragung gleich einem strengen Kontrolleur an einem Grenzübergang. Schon das Neuronenfeuer zwischen zwei Nervenzellen würde nur freigegeben, wenn weitere Informationen für eine solche Freigabe sprechen, vermutet Helmstaedter.

Das ist eine Besonderheit des menschlichen Gehirns. Die Frankfurter Wissenschaftler stellten fest, dass hemmende Nervenzellen bei der Maus kaum eine Rolle spielen. Im menschlichen Kortex machen sie dagegen ein Viertel bis ein Drittel der Nervenzellen aus. „Wir vermuten, dass es diese Hemmung braucht, um Erregung länger aufrechtzuerhalten und somit beispielsweise einen Gedanken länger vorzuhalten. Es ist noch Spekulation. Aber vielleicht ermöglicht uns diese Besonderheit in unserem Konnektom, überhaupt erst komplexe Gedankengebäude aufzubauen.“ Dass Menschen im Geiste ihr Traumhaus errichten und es über Monate immer weiter gestalten, wäre nur dank der hemmenden Neuronen möglich.

Wie die Nervenzellen sich ihre Kommunikationspartner aussuchen, sei 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 Zeichen 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. Vor allem die Nervenzellfortsätze reagieren sehr dynamisch und flexibel auf ihre Umgebung. Wie genau diese Nervenzellsensorik funktioniert, ist allerdings Gegenstand laufender Forschung.

Klar ist nur, dass im Ergebnis Synapsen sowohl kurzzeitig neu entstehen können als auch langzeitig. Die kurzlebigen Kontaktstellen könnten sich in Reaktion auf Anpassungsprozesse des Gehirns auf die Umwelt bilden. Langlebige Verknüpfungen wiederum sollen die Voraussetzung dafür sein, dass wir uns Dinge merken können, auch, dass wir wissen, wer wir sind.

Das Sehen im Blick

Wie wichtig das Vorhalten von Informationen im menschlichen Gehirn ist, hat der Neurowissenschaftler Jens-Max Hopf vom Leibniz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg in seinen eigenen Experimenten erfahren. Einst glaubte man, elektrische Signale würden von tiefen Hirnregionen aufwärts bis zur Hirnrinde, also von unten nach oben, weitergereicht. Das stimme so nicht, stellt Hopf klar. Vielmehr werden sie in Bruchteilen von Sekunden auch wieder von höheren zu tieferen Hirnregionen, also rückwärts, weitergereicht und ausgewertet, wie Hopf am Beispiel des Sehens nachgewiesen hat. Die rückwärtige Verarbeitung beruht dabei darauf, dass die Information in den niederen Arealen des Konnektoms noch vorhanden ist und sich nicht schon verflüchtigt hat. Sie wird lediglich noch einmal neu ausgewertet.

Seit vielen Jahren widmet sich Hopf einer besonderen Fähigkeit des Menschen, die als verdeckte Aufmerksamkeit bezeichnet wird. Ein Beispiel: 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. Wegen der reduzierten Empfindlichkeit können wir Dinge schneller wahrnehmen, noch bevor sie im Fokus des Sehfeldes sind.

Lange Zeit dachten Neurowissenschaftler, dass verdeckte Aufmerksamkeit nebenbei entsteht, wenn sich die elektrische Erregung vom Sehnerv bis zur Hirnrinde empor fortpflanzt. Doch das stimmt nicht. Hopf konnte zusammen mit John Tsotsos von der kanadischen York University nachweisen, dass das Gehirn verdeckte Aufmerksamkeit anders bewerkstelligt. 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 an der linken oder rechten Seite auf. Diese Ringe heißen Landolt-C und werden auch bei klassischen Sehtests 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. Die Probanden sollten mitteilen, in welcher Raumrichtung sich die Lücke in einem farbigen Landolt-C befindet – links oder rechts. 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. Hopf konnte dann bestimmen, aus welchen Hirnarealen die Signale kamen. So erkannte er, dass die verdeckte Wahrnehmung immer die Rückwärtsverarbeitung der elektrischen Signale aus den höchsten kortikalen Hirnarealen zurück zum primären visuellen Kortex erfordert.

Alles, was wir bewusst hören, sehen und riechen, ergibt sich folglich aus dem Konnektom. Im Kommunikationsschaltplan fließt die Information aber nicht nur rückwärts, also von der Hirnrinde in Richtung tiefer gelegener Sphären. Sie kann sogar parallel auf verschiedenen Ebenen bearbeitet werden, wie Hopf erkannte, als er sich der Frage zuwandte, wie wir eine gelbe Banane erkennen und zuverlässig eine Frucht mit dem schönsten Gelb und den wenigsten braunen Stellen unter vielen Bananen finden.

Höhere Regionen helfen dabei, dass wir die verschiedenen Gelbtöne besonders genau abgleichen. Dieser Fokus auf feine Farbunterschiede geschieht aber losgelöst vom Objekt – der Banane. Vielmehr sind es mittlere Hirnregionen, die dann unsere Verarbeitung über das Objekt an sich verstärken, sodass wir voll und ganz die Bananen vor uns im Blick haben. Beides passiere zeitgleich, damit wir in begrenzter Zeit die schönste Banane finden, wie Hopf im Fachjournal Science Advances im September 2024 ausführt.

Offenbar wertet das Gehirn nie alles aus, was wir mit dem Sehnerv sehen. So glauben wir zwar, unser Bild sei vollständig, können aber nicht komplett beschreiben, was wir gerade gesehen haben. Wie wählerisch das Gehirn bei der Verarbeitung ist, führt Hopf seinen Studierenden gern mit einem kleinen Experiment vor. Er zeigt eine Skyline von New York in verschiedenen Aufnahmen, mal mit einem markanten Hochhaus, mal ohne. Erst nach vielen Minuten fällt einer Person der kleine Unterschied auf, erzählt Hopf amüsiert.

Richtig hinhören

Die Verschaltung im Gehirn entscheidet sogar darüber, wie schnell und gut Menschen das, was sie sehen oder hören, deuten können. Eine Reihe von Studien belegt, dass die Konnektivität im Oberstübchen mit fortschreitendem Alter langsam nachlässt. Für ältere Personen ist es deshalb aufwendiger richtig hinzuhören, auch wenn ihr Gehör einwandfrei geblieben ist, entdeckte 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 Kortex verarbeitet, der eine höhere Frequenzauflösung hat, also Töne besser unterscheiden und beispielsweise auf diese Weise genauer Musik hören kann. Signale, die über unser rechtes Ohr eintreffen, übernimmt indes bevorzugt der auditorische Kortex in der linken Hirnhälfte, der Töne besser zeitlich auflösen kann, also „Rahmen“ gut von „rammen“ unterscheiden kann, wenn jemand mit uns spricht. 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. Gerade im Alter läuft die Verarbeitung wegen der abnehmenden Konnektivität oft anders ab.“ Sie spielte Probanden zwischen 55 und 75 Jahren einen Ton vor, dessen Tonhöhe abfiel oder anstieg. Die Teilnehmenden sollten sagen, ob der Ton tiefer oder höher wurde. 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. Und sie hatten auch weniger Verbindungen zwischen den Hörkortizes der linken und rechten Hirnhälfte. Ihr Konnektom war bereits ausgedünnt. „Um das zu kompensieren, brauchen sie mehr Areale und damit mehr Ressourcen im Gehirn, um gut zu hören“, erklärt die Forscherin.

Sie möchte nun ein Hörtraining entwickeln, das die Konnektivität im Gehirn beim Hören wieder verbessert. Nachdem Testpersonen dreimal 25 Minuten Töne ansteigender oder absteigender Höhe hörten und angeben mussten, wie sich die Tonhöhe verändert, zeigte sich schon ein Unterschied im Hirnscanner. „Es macht Hoffnung, dass ein Training die Verschaltung des Gehirns verbessern oder effizienter machen kann. Dafür spricht auch, dass Personen, die ein Musikinstrument spielen, sich in Experimenten leichter tun“, sagt Angenstein.

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? Anders als einst angenommen, werden dabei tatsächlich nicht nur bestehende Synapsen verstärkt. Neu erworbenes Wissen und neue Fähigkeiten ändern auch die Verknüpfungen im Gehirn. Das Konnektom ist kein starrer Schaltplan. Es ist eine sich ständig ändernde Kommunikationskarte. „Aber welchen Anteil diese prägbare Verschaltung hat und wie viele Synapsen zusätzlich spontan entstehen, wissen wir noch nicht genau“, berichtet Angenstein. Daten aus dem Mauskonnektom deuten darauf hin, dass der Anteil, der auf das Lernen zurückzuführen ist, nur bei einem Drittel liegen könnte. Die große offene Frage für die Forschenden ist, wie die anderen zwei Drittel zustande kommen. ■

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