AUS DEM SPIEGEL
Ausgabe 3/2018

Gehirn-Schaltplan Der Mann, der Gedanken lesen kann

Um das Gehirn verstehen zu können, müsste man seinen Schaltplan kennen, aber der ist gespenstisch kompliziert. Nun hat ein US-Forscher eine Idee entwickelt - mit ungeheuren Folgen.

Hirnkartierer Zador
Annie Tritt / DER SPIEGEL

Hirnkartierer Zador

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Bescheidenheit ist Anthony Zadors Sache nicht, und so hat er sich nie mit Kleinem begnügt. Stets wagte er das Große. Schon als Doktorand nahm sich der Neurowissenschaftler vor, eine Maschine mit Bewusstsein zu erschaffen. Zwar musste er einsehen, dass dies dann doch schwieriger war als gedacht. Aber seine visionäre Tatkraft blieb ungebremst.

Jetzt hat Zador sich darangemacht, eines der ehrgeizigsten Großvorhaben seines Fachs gleichsam im Handstreich zu vollenden: Am Cold Spring Harbor Laboratorium auf Long Island will er die Verschaltung von Nervenzellen in Gehirnen kartieren.

Das Konnektom zu erfassen - so nennen Hirnforscher die Gesamtheit aller Verknüpfungen im Nervensystem - gilt als eine Art Heiliger Gral des Fachs. Um die Funktionsweise des Gehirns wirklich verstehen zu können, so glauben die Wissenschaftler, müssen sie seinen Schaltplan kennen.

Dieser aber ist geradezu gespenstisch kompliziert. Selbst in einem nur blaubeergroßen Mäusehirn sind etwa 70 Millionen Neuronen an mehr als 100 Milliarden Kontaktstellen verdrahtet. Wie soll man davon eine Karte erstellen?

Einige Hirnforscher versuchen, mit einem technischen Gewaltakt ans Ziel zu gelangen: Sie zerschneiden das Hirngewebe in hauchdünne Scheiben, fotografieren diese im Elektronenmikroskop und setzen die Bilder im Computer dann virtuell zu einer Art dreidimensionalem Kabelknäuel zusammen.

Das ist teuer, kostet viel Zeit und erfordert die Handhabung unermesslich großer Datenmengen. Sandkorngroße Gewebestückchen wurden auf diese Weise bereits kartiert. Vollständige Hirne zu erfassen liegt noch in weiter Ferne - wenn da nicht Anthony Zador wäre.

Der Hirnforscher in Cold Spring Harbor hat einen Trick ersonnen, mithilfe dessen er die ungeheure Kartierungsarbeit geradezu beiläufig erledigen will. Wofür die Konkurrenz viele Jahre und Millionen Dollar braucht, das hofft er zum Preis von einigen Zehntausend Dollar schaffen zu können. Gelänge ihm dies, wäre die Menschheit dem Verständnis ihres eigenen Denkens einen riesigen Schritt näher.

Darum, dieses Wunder zu begreifen, ging es Zador schon im Studium. Erst schrieb er sich für Linguistik ein, weil ihm Gedanken ohne Sprache nicht vorstellbar schienen. Dann wandte er sich der Physik als der grundlegendsten aller Naturwissenschaften zu. Ihn faszinierte die Klarheit, die Logik der Gedankenführung. "Das Problem war nur: Die Ergebnisse der Physiker interessierten mich nicht", sagt Zador.

Schließlich fand er, wonach er suchte. Damals, in den Achtzigerjahren, waren die Forscher gerade dabei, sogenannte neuronale Netze zu knüpfen. Sie bauten Rechner mit einer Architektur, die von derjenigen des Gehirns inspiriert war. So hofften die Visionäre, den Computern eine neue, intuitive Form des Rechnens beibringen zu können.

Anfangs befruchteten sich Hirn- und Computerwissenschaft, und Zador fühlte sich wohl im Spannungsfeld beider Disziplinen. Doch bald entfremdeten sie sich: Die Informatiker entwickelten ihre neuronalen Netze fort und scherten sich immer weniger darum, was diese mit realen Neuronen zu tun hatten. Die Neurowissenschaftler wiederum studierten Nervenzellen, Synapsen und chemische Botenstoffe, und je mehr sie darüber lernten, desto aussichtsloser schien ihnen der Plan, all das im Computer zu simulieren.

"Ich musste mich entscheiden", sagt Zador. Manchmal, meint er scherzhaft, hadere er damit, dass er seinerzeit den Weg der Hirnforschung wählte. "Hätte ich anders entschieden, wäre ich jetzt reich." Denn was damals niemand ahnte: Die neuronalen Netze machten, nach vielen eher fruchtlosen Jahren, plötzlich eine fulminante Karriere. Unter dem Namen Deep Learning oder einfach künstliche Intelligenz sind sie zu einem Topthema der Informatiker und zum Goldesel der Start-up-Gemeinde geworden.

Zador indes fand sich wieder im neurobiologischen Labor und machte zunächst das, was Hirnforscher seit Jahrzehnten taten: Er stach Elektroden in die Nervenzellen von Versuchstieren und protokollierte, wann diese feuerten. Das war mühselig, und schnell war Zador klar, dass er so nie ans Ziel gelangen würde. Das Studium einzelner Neuronen verriet ihm zu wenig über die Rolle, die diese im Konzert von Millionen anderen spielten.

Zador beschloss, die Sache anders anzupacken. Bei seinem Plan kommt ihm zugute, dass die Hirnwissenschaft derzeit eine methodische Revolution durchlebt. Winzige Sonden machen es inzwischen möglich, das elektrische Geflacker im lebenden Gehirn abzuhorchen; mit Fluoreszenzfarbstoffen lässt sich die Aktivität vieler Nervenzellen gleichzeitig verfolgen; ja, die Forscher haben sogar einen Weg gefunden, mit Licht direkt ins Geplauder der Neuronen einzugreifen.

Und dann ist da die Fülle neuer bildgebender Verfahren. Dank funktioneller Kernspintomografen können die Forscher ihren Probanden beim Denken zusehen, andere Geräte machen sogar die Feinstruktur der Nervenfaserbündel in der sogenannten weißen Substanz des Gehirns sichtbar, gleichsam den Kabelbaum des Bewusstseins.

Besonders beeindruckte es Zador, als er erstmals die grellbunten Bilder sah, die der Neurobiologe Jeff Lichtman an der Harvard-Universität anfertigt. "Brainbow" nennt Lichtman die von ihm entwickelte Technik, mit der er einzelne Nervenzellen unterschiedlich anfärbt. Auf diese Weise kann er sie selbst in einem noch so komplex verwobenen Geflecht auseinanderhalten.

Lichtmans Farbenpracht allerdings stößt bald an Grenzen: Er markiert Neuronen mit bis zu 200 verschiedenen Farbtönen, und schon die kann ein Mensch nicht mehr voneinander unterscheiden. Das wollte Zador besser machen: Er beschloss, Lichtmans Verfahren zu kopieren, nur dass er statt 200 Farben viele Millionen oder gar Milliarden klar voneinander unterscheidbare Marker verwenden möchte. Sein Plan: Jede Nervenzelle will er mit einer Etikette versehen, die sie unverwechselbar macht.

Vor gut fünf Jahren beschrieb Zador in der Zeitschrift "Plos Biology", wie er sich das vorstellte: Mithilfe von Viren wolle er kleine Erbgutschnipsel, jedes davon mit etwas anderer Buchstabenabfolge, in die Nervenzellen schleusen. Die Zellen selbst würden dann dafür sorgen, diese molekularen Etiketten durch all ihre fein verästelten Ärmchen zu transportieren, wo Zador sie dann auslesen könne (siehe Grafik).

Damals schlug dem Visionär viel Skepsis entgegen. Niemals werde so etwas klappen, wandten die Kritiker ein, zu groß sei die Zahl technischer Hindernisse. Tatsächlich kämpfte Zador lange mit Problemen. "Die ersten Jahre traten wir auf der Stelle", sagt er.

Inzwischen jedoch ist ihm der Nachweis geglückt: Testweise setzte er seine etikettierten Viren ein, um eine bestimmte Stammhirnregion bei Mäusen zu infizieren, die steuert, wohin das Tier seine Aufmerksamkeit lenkt. Nach der Infektion wartete Zador knapp zwei Tage und tötete dann die Mäuse. Anhand der Etiketten in ihrem Großhirn konnte er präzise nachvollziehen, wohin jedes der Stammhirn-Neuronen seine Ärmchen gereckt hatte.

Kaum war dieser Befund veröffentlicht, trafen Anfragen aus aller Welt in Zadors Labor ein. Es waren Neurobiologen, die hofften, dank des neuen Etikettentricks in ihrer Forschung voranzukommen: Endlich schien ein Weg gefunden, Schaltkreise im Gehirn mit überschaubarem Aufwand zu kartieren.

Die erste Frucht einer Zusammenarbeit mit Kollegen aus der Schweiz wird demnächst in der Zeitschrift "Nature" erscheinen. Die Forscher zeigen darin Verdrahtungen in der Sehrinde.

Eine Studie wie diese offenbart, wie sehr sich die neue Form der Hirnkartierung vom bisherigen Großprojekt der Konnektom-Erfassung unterscheidet. Anders als das aufwendige elektronenmikroskopische Verfahren ist Zadors Methode unvollständig: Fast unweigerlich rutschen ihm einzelne Nervenzellen durchs Raster; je nachdem, mit welchen Etikettierungsviren er arbeitet, wird er sogar nur einen kleinen Teil aller Neuronen erfassen.

Doch dafür funktioniert sein Verfahren so schnell und es ist so billig, dass er es im Prinzip vielhundertfach durchführen könnte: So kann er sich auf den Schaltplan des Sehens, des Hörens oder des Schnurrhaartastens beschränken, er kann das neuronale Netz von Männchen und Weibchen miteinander vergleichen oder die Verdrahtungen im Gehirn verhaltensgestörter Mäuse untersuchen. Egal ob es um die Entwicklung des Nervensystems im Verlauf des Mäuselebens oder um den Vergleich verschiedener Spezies geht: Dank Zadors Methode könnte die Hirnkartierung zur Routine werden, wie es die Hirntomografie schon heute ist.

Das fasziniert die Strategen der Iarpa. So heißt eine staatliche US-Agentur, deren erklärtes Ziel es ist, besonders kühne Forschungsprojekte im Bereich der Informationstechnik anzustoßen. Die Iarpa formuliert dazu äußerst anspruchsvolle Aufgaben und lädt Wissenschaftler ein, sich für deren Lösung zu bewerben. Eine dieser Herausforderungen besteht darin, alle Zellverknüpfungen in einem Kubikmillimeter Mäusehirn zu vermessen, um dann die dabei aufgedeckten Schaltkreise im Computer nachzubauen.

Zador war begeistert, als er von dieser Ausschreibung erfuhr. "Das ist genau das, was ich immer wollte", sagt er. Er bewarb sich und bekam den Zuschlag. Jetzt arbeitet er mit in einem von drei Teams des "Microns-Programms", für das insgesamt 100 Millionen Dollar bereitgestellt werden. Zwei Mannschaften wollen den von der Iarpa gestellten Auftrag mit herkömmlichen Verfahren erfüllen. Zador versucht, den Weg mit seinem Etikettentrick abzukürzen.

Für ihn schließt sich damit ein Kreis. Er ist wieder dort angekommen, von wo er ausgegangen war: beim Brückenbau zwischen Informatik und Neurowissenschaft. Denn wenn er erst einmal die Schaltpläne des Denkens kennt, wird er sie auch nachbauen und testen können.

Die Neurobiologen gehen davon aus, dass das Geheimnis, wie aus Sehreizen Bilder, aus Schallwellen Laute und aus den feinen Erschütterungen von Schnurrhaaren die Vorstellung dreidimensionaler Gebilde werden, in den Feinheiten des Neuronennetzes verborgen ist. In ähnlicher Weise dürften auch die Wahnvorstellungen von Schizophrenen und die Kontaktängste von Autisten in neuronalen Schaltfehlern begründet sein.

Wenn dies zutrifft, dann wird das Konnektom den Forschern viel über die Funktionsweise des Gehirns und die Gesetzmäßigkeiten des Denkens verraten. Besonders spannend wäre es zum Beispiel zu prüfen, ob sich ein Verdacht der Neurobiologen bestätigt: Das Großhirn verarbeite womöglich gar nicht die ganze von den Sinnesorganen anflutende Datenmasse, sondern gleiche die Wirklichkeit nur ständig mit vorab gefertigten Annahmen ab. Fortwährend generiert das Gehirn demnach Hypothesen, welche Reize wohl als Nächstes eintreffen werden. Das könnte den Neuronen viel Rechenarbeit ersparen: Statt die gesamte Sinnesflut analysieren zu müssen, würde es sich auf jene Signale beschränken, in denen die Wirklichkeit von der Erwartung abweicht.

Eine solche Form der Informationsverarbeitung dürfte sich in den Schaltkreisen der Nervenzellen widerspiegeln. Sie zu entwirren wird den Wissenschaftlern nicht nur helfen, besser zu verstehen, wie wir die Welt wahrnehmen. Es wird ihnen zugleich auch neue Schaltprinzipien zur Konstruktion intelligenterer Computer an die Hand geben.

Zador jedenfalls rechnet damit, dass aus seiner Forscherarbeit irgendwann eine neue Generation künstlicher Intelligenz hervorgehen wird: "Und diese", sagt er, "wird dem natürlichen Vorbild weitaus ähnlicher sein."



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