AUS DEM SPIEGEL
Ausgabe 10/2017

Neurowissenschaft Wie Forscher falsche Erinnerungen ins Gehirn beamen

Als würde ein Albtraum wahr: Forscher arbeiten daran, Gedanken zu lesen. Schon jetzt ist es dem Biologen Susumu Tonegawa gelungen, Mäusen falsche Erinnerungen ins Hirn zu pflanzen. Wann geht das auch beim Menschen?

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Um neue Wege zu finden, Depressiven wieder Lebensmut zu verleihen, hängen die Forscher Mäuse am Schwanz auf. Das Experiment ist nur eines von vielen, die am Picower-Institut des Massachusetts Institute of Technology (MIT) bei Boston durchgeführt werden, aber es demonstriert besonders eindrücklich, warum der japanische Laborleiter Susumu Tonegawa als Wegbereiter einer neuartigen Form der Hirnmanipulation gilt. Mithilfe von Lichtblitzen im Schädel kann er die Gedanken seiner Versuchstiere lenken - und dies mit frappierender Präzision.

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Heft 10/2017
Wie viel Putin steckt in Trump?

Die Wissenschaftler verwenden für das Experiment ganz bestimmte Mäuse, die einige der für Depression typischen Symptome zeigen. Wenn die Tiere beispielsweise vor Schwierigkeiten stehen, geben sie, ähnlich wie zutiefst betrübte Menschen, schnell auf. Um dieses Verhalten zu testen, hängen die Forscher die Nager kopfüber auf.

Der Unterschied zeigt sich dann schnell: Normale Mäuse winden sich nach Kräften, sie versuchen, an ihrem Schwanz emporzuklettern. Depressive Mäuse zeigen weit weniger Ausdauer. Sie fügen sich früher in ihr Schicksal. Es ist, als meldete ihr Hirn: Es hilft ja eh nix. Doch das ändert sich abrupt, wenn die Forscher den hilflos baumelnden Mäusen durch ein feines Glasfaserkabel blaues Laserlicht ins Gehirn blitzen - und sie so an Sex mit Mäusedamen erinnern. Wie funktioniert das?

Unvermittelt kommt dann Leben in die Tiere. Ihre Depression scheint verflogen, rührig krümmen sie sich, um einen Weg aus ihrer misslichen Lage zu finden. Was dieses Experiment so ungewöhnlich macht, sind die Vorgänge, die das Licht im Gehirn der - bei diesem Versuchsaufbau stets männlichen - Mäuse auslöst:

Die Forscher aktivieren damit ein Netzwerk von zuvor genetisch markierten Nervenzellen, und zwar handelt es sich dabei um ebenjene Neuronen, die einige Tage zuvor aktiv waren, als die Mäuseriche weibliche Gesellschaft im Käfig hatten. Durch das Licht wird gezielt die Erinnerung an dieses Rendezvous wachgerufen. Das schenkt den Tieren neue Zuversicht.

Das Experiment zeigt: Schöne Erinnerungen besitzen Heilkraft. Das Experiment macht aber auch klar, wie beängstigend weit Forscher bereits in die Welt unter der Schädeldecke vorgestoßen sind. Wenn sie heute schon gezielt erotische Erinnerungen einer Maus wecken können, werden sie dann nicht bald beginnen, in den Kindheitserlebnissen menschlicher Patienten herumzustöbern? Neurowissenschaftler Tonegawa zweifelt nicht daran: "Die Zeit wird kommen, in der es möglich sein wird, das menschliche Gehirn zu manipulieren", sagt er.

Voller Eifer arbeiten die Laboranten, Doktoranden und Postdocs in Tonegawas Labor daran, dass diese Vision Wirklichkeit wird. Der eine saugt gerade bei einer Maus etwas Großhirnmasse ab, um zu tiefer liegenden Hirnregionen vorzudringen; er will filmen, wie Fluoreszenzfarbstoffe das Nervenzellgewebe dort bei seiner Denkarbeit flackern lassen. Ein anderer treibt Elektrodenbündel mikrometerweise ins Frontalhirn eines Versuchstiers vor, um verfolgen zu können, wie sich dort das Langzeitgedächtnis formt. Wieder ein anderer versucht, in einem von Demenz zerrütteten Mäusehirn verschüttete Erinnerungen wiederzubeleben.

Angeleitet werden sie alle von Susumu Tonegawa, der auch mit seinen 77 Jahren noch als namhafter Hirnforscher gilt. Er sitzt in seinem Büro und preist die enormen Fortschritte seiner Arbeitsgruppe. Manchmal, so gesteht er, seien die ihm selbst nicht ganz geheuer.

Möglicherweise werde es gar nicht so lange dauern, bis die Methoden, die er jetzt an Mäusen erprobt, reif für den Einsatz am Menschen seien. Tonegawa hält es für denkbar, dass aus seiner Forschung eine Vielzahl Therapien etwa zur Behandlung von Alzheimer, Autismus oder Depressionen hervorgeht. Aber natürlich dürfe man auch die Gefahr von Missbrauch nicht außer Acht lassen. "Militärs interessieren sich zum Beispiel dafür, wie sie Feinde einer Hirnwäsche unterziehen könnten", sagt er.

Das Zeitalter der Neuroingenieure ist angebrochen. Wird nun die Science-Fiction-Welt aus dem Film "Total Recall" Wirklichkeit?

Die Hirnforscher, sagt Tonegawa, seien im Begriff, ihre Unschuld zu verlieren. Es gelte, Regeln aufzustellen, die zwischen segensreichen und unheilvollen Anwendungen der neuen Techniken unterscheiden. "Wir werden an denselben Punkt kommen, an dem die Atomphysiker und die Genforscher vor uns standen", meint er.

Susumu Tonegawa beschloss erst vor knapp 30 Jahren, in das Forschungsfeld der Neurowissenschaft zu wechseln. Der Grund dafür, sagt er, sei Angst vor Langeweile gewesen. Sein Problem damals: Er hatte schon alles erreicht. Erst knackte Tonegawa, seinerzeit noch als Immunologe, das Rätsel der Antikörpervielfalt, dann ergatterte er eine Professorenstelle am renommierten MIT. Und 1987 überreichte ihm der schwedische König die Nobelpreismedaille. Als er aus Stockholm zurückkam, war er Ende vierzig und fragte sich: Was nun?

Nobelpreisträger Tonegawa
Webb Chappell / DER SPIEGEL

Nobelpreisträger Tonegawa

Sich auf seinem Fachgebiet weiter zu steigern schien kaum möglich. Er brauchte eine neue Herausforderung, und diese konnte ihm einzig jenes Organ des Körpers bieten, das noch komplexer und noch komplizierter ist als das Immunsystem: das Gehirn. Tonegawa beschloss, sich dem Geheimnis des Erinnerns zuzuwenden.

Er wollte herausfinden, ob irgendwo ins weitverzweigte Netzwerk der Neuronen und Synapsen Abbilder vergangener Erlebnisse eingebrannt sind. Er wollte wissen, wo sich diese sogenannten Engramme verbergen und wie sie gebildet werden.

Er arbeitete sich in das ihm fremde Fachgebiet ein. Und schnell stellte er fest: Wer Erinnerungen im Gehirn finden will, der beginnt die Suche am besten im Hippocampus. Diese sichelförmige Struktur in den Tiefen des Schläfenlappens ist zuständig dafür, neue Gedächtnisinhalte zu formen. Das hatte schon Ende der Fünfzigerjahre die Untersuchung eines Patienten ergeben, der unter seinen Initialen H.M. in die Geschichte der Hirnforschung einging. Um ihn von seinen schweren epileptischen Anfällen zu heilen, hatten Chirurgen dem Mann beidseitig die Hippocampi entfernt. Die Folge: H.M. war nun auf einer Insel ewiger Gegenwart gefangen; neue Erinnerungen vermochte er nicht mehr zu bilden.

Wie aber sollte Tonegawa im Hippocampus einzelne Engramme dingfest machen? Wie unter vielen Millionen aufs Engste verflochtener Neuronen ausgerechnet jene ausfindig machen, die für die Erinnerung an die Einschulung, die versemmelte Fahrprüfung oder die Glückseligkeiten der ersten Liebesnacht zuständig sind? Zu schaffen, was Tonegawa sich da vorgenommen hatte, schien nahezu unmöglich zu sein.

Und doch ist ihm und seinem Team genau das - zumindest im Mausversuch - gelungen. Die Forscher machten sich die Optogenetik zunutze, ein noch junges Forschungsfeld, welches sich mit der Manipulation von Neuronen durch Licht befasst.

Mikroskopische Aufnahme der Amygdala; rot markiert: Zellen, die positive Gefühle verarbeiten; grün: Zellen, die mit Angstgefühlen verbunden sind
Tonegawa Laboratory / MIT

Mikroskopische Aufnahme der Amygdala; rot markiert: Zellen, die positive Gefühle verarbeiten; grün: Zellen, die mit Angstgefühlen verbunden sind

Tonegawa tüftelte eine Methode aus, die es ihm erlaubt, sämtliche Nervenzellen zu markieren, die zu einem bestimmten Zeitpunkt feuern. Dank eines raffinierten optogenetischen Tricks bringt er diese Zellen dazu, ein lichtempfindliches Protein zu produzieren. Wenn die Forscher dann später durch Glasfasern Licht ins Gehirn der Mäuse lenken, werden genau diese Zellen wieder aktiviert. Das weckt in den Tieren die Erinnerung an jene Ereignisse, die zum Zeitpunkt des Markierens gespeichert wurden.

Als die Forschergruppe am MIT diese Methode vor knapp fünf Jahren der Fachwelt vorstellte, feierte die Gemeinde der Hirnforscher sie als Durchbruch. Tonegawa hatte mit Mäusen in der Sprache ihrer Hirnzellen kommuniziert; es war ihm gelungen, ihnen konkrete Erinnerungsbilder ins Bewusstsein zu gaukeln. Es war der bis dahin wohl komplexeste aller Menschlichen Eingriffe ins Geplauder der Neuronen.

Aufbruchstimmung erfasste Tonegawas Team; Ideen strömten, seine Mitarbeiter erdachten eine ganze Reihe neuer, faszinierender Forschungsprojekte: Wie erinnern wir uns an Gefühle und wie an einzelne Artgenossen? Wie ordnet das Gedächtnis zeitliche Abläufe? Wie werden Erinnerungen emotional eingefärbt? Plötzlich schien sich ein Weg aufzutun, solche Fragen zu beantworten.

Ein Projekt bestand darin, die Verschaltungen der Neuronen vom Hippocampus bis in eine benachbarte Hirnstruktur zu verfolgen. Ihrer Gestalt wegen heißt diese "Mandelkern" oder, mit griechischem Namen, "Amygdala". Hier werden die Erinnerungen mit Gefühlen verknüpft.

"Das Gehirn bewertet fast alles, woran wir uns erinnern", sagt Tonegawa. "Wir empfinden es, mehr oder weniger intensiv, entweder als positiv oder als negativ." Ein Abbild dieser Werteskala haben er und seine Mitarbeiter in der Amygdala gefunden. Gute und schlechte Gefühle, so stellten sie fest, sind an unterschiedlichen Stellen verortet.

Vorn in der Amygdala sitzt die Angst, hinten das Vergnügen. Mäuse meiden Orte innerhalb ihres Käfigs, an denen der vordere Teil des Mandelkerns aktiviert wird - zum Beispiel, weil sich die Tiere hier entsinnen, zuvor einen Elektroschock erfahren zu haben. Dort, wo die Zellen im hinteren Teil dieser Hirnstruktur feuern - etwa weil dies mit der Erinnerung an ein Weibchen verbunden ist -, verspüren sie Lust zu verweilen.

Natürlich sei unser Gefühlsleben viel zu komplex, als dass es sich in ein einfaches Gut-Böse-Schema fassen ließe, meint Tonegawa. Eifersucht, Überraschung, Ekel und Hass, Neugier, Trauer, Verliebtheit und Langeweile - unmöglich, all das allein mit den Etiketten "positiv" und "negativ" zu beschreiben. Doch für die emotionalen Finessen sind andere Teile des Gehirns zuständig. Die Amygdala nimmt die Grundbewertung vor, und diese kennt nur Gut und Schlecht.

Anhand der neuronalen Schaltkreise konnten Tonegawa und sein Team nachweisen, dass die beiden gegensätzlichen Gefühle in einen fortwährenden Kampf miteinander verstrickt sind: Wohlgefallen dämpft die Angst, und Angst verhindert das Vergnügen. Seelische Gesundheit, vermutet der MIT-Forscher, beruhe auf dem Gleichgewicht der beiden Befindlichkeiten. "Wenn der vordere Amygdala-Teil dauerhaft die Oberhand gewinnt, sind wir nicht mehr in der Lage, das Leben zu genießen", sagt Tonegawa. Dieser Zustand habe einen Namen: klinische Depression. Wer dieses Leiden behandeln wolle, müsse in die Balance der Amygdala eingreifen, glaubt der Forscher.

Ein zweites Phänomen, dem sich Tonegawas Forschungsgruppe zugewandt hat, ist in der Fachwelt unter dem Namen "falsche Erinnerungen" bekannt. Seit Langem schon rätseln Psychologen, wie es möglich ist, dass Menschen sich mitunter lebhaft und detailreich an Dinge entsinnen, die sie nie erlebt haben. Wie kann es sein, dass Zeugen vor Gericht in allen Einzelheiten einen Bankräuber beschreiben, bis sich herausstellt, dass der in Wirklichkeit völlig anders aussah? Und wie oft kommt es vor, dass ein Mädchen, das niemals missbraucht wurde, sich voller Schaudern daran erinnert, wie sein Onkel des Nachts in sein Zimmer kam?

Die Experten sind sich sicher: In vielen solchen Fällen glauben die Betroffenen, die Wahrheit zu sagen; sie erinnern sich tatsächlich an diese Erlebnisse, als wären sie genau so passiert.

Strittig ist, welche von zwei Theorien das Phänomen besser erklärt. Der einen zufolge entstehen falsche Erinnerungen, weil das Gehirn richtige Details falsch zusammensetzt. Es verschmilzt demnach Fetzen, die aus unterschiedlichen Zusammenhängen stammen, zu Geschehnissen, die nie stattgefunden haben.

Die zweite Theorie geht davon aus, dass wahrheitsgetreue Erinnerungen nachträglich verfälscht werden können. Jedes Ereignis, das wir aus der Vergangenheit hervorkramen, werde anschließend erneut ins Gedächtnis eingeschrieben. Das nächste Mal erinnern wir uns dann nicht mehr an das Erlebnis selbst, sondern nur daran, wie wir uns das letzte Mal daran erinnert haben. Und wenn sich beim Abruf neue Details eingeschlichen haben, ist die im Gedächtnis abgelegte Version verfälscht.

Tonegawa wollte nun im Mäuseexperiment herausfinden, welche dieser Theorien die richtige ist. Endgültig konnte er die Streitfrage zwar nicht entscheiden. "Wahrscheinlich spielen beide Mechanismen eine Rolle", meint er. Doch stärken die Ergebnisse aus seinem Labor die Verfechter der zweiten Hypothese.

Um den Nachweis zu führen, haben die MIT-Forscher Mäusen mithilfe ihres Lichttricks gezielt falsche Erinnerungen ins Gehirn implantiert. Sie versetzten dazu den Tieren in einem Käfig einen Elektroschock, der kräftig genug war, um sich ihrem Gedächtnis einzuprägen. Gleichzeitig riefen sie mithilfe von Laserlicht die Erinnerung an einen anderen Käfig im Gedächtnis der Tiere wach. Die Folge: Nun zeigten die Mäuse auch in diesem zweiten Käfig typisches Angstverhalten, gerade so, als hätten sie hier den Elektroschock erhalten. Beim Abruf der Erinnerung war diese also verfälscht worden.

Noch größere Bedeutung misst Tonegawa einem dritten Forschungsprojekt zu, dessen Ergebnisse im September in der Zeitschrift "Science" veröffentlicht wurden. Dort verkünden Tonegawa und seine Mitarbeiter, dass sie den Sitz des sozialen Gedächtnisses im Gehirn von Mäusen aufgespürt hätten. Die Forscher vermuten, dass es sich um ebenjene Hirnstruktur handelt, von der auch bei uns Menschen das Gefühl von Vertrautheit ausströmt, das uns befällt, wenn wir einer Arbeitskollegin, einem Nachbarn oder auch dem nervigen Typen aus dem Fitnessklub auf der Straße begegnen.

Schon lange hatte Tonegawa den Verdacht, dass der Mensch über eigene neuronale Schaltkreise verfüge, um sich seine Beziehungen zu Mitmenschen zu merken. Viel spricht dafür, dass soziale Informationen im Gehirn gesondert verarbeitet werden. So gibt es zum Beispiel eine Region im rechten Schläfenlappen, die ausschließlich für die Erkennung von Gesichtern zuständig ist. Deshalb nehmen wir in den Zügen unseres Gegenübers winzige Details wahr, wie sie uns beim Betrachten von Landschaften, Schaufenstern oder auch Tiergesichtern entgehen würden.

Zwar sind Mäuse eine weniger soziale Spezies als der Mensch, doch auch sie unterscheiden Artgenossen. Das lässt sich an ihrem Verhalten ablesen: Fremde Mäuse beschnüffeln sie voller Interesse, den vertrauten Käfiggenossen dagegen schenken sie weit weniger Aufmerksamkeit.

Tonegawa konnte nun nachweisen, an welcher Stelle des Gehirns diese Unterscheidung getroffen wird. Fündig wurde er in einer Windung des Hippocampus, die von Forschern bisher weitgehend unbeachtet geblieben war.

Und mehr noch: Dank der Gentech-Finte mit dem Laserlicht konnten Tonegawas Mitarbeiter auch ins soziale Gedächtnis ihrer Versuchsmäuse eingreifen. Im Hippocampus einiger Tiere schalteten sie die Erinnerung an Käfiggenossen ab. Tatsächlich wurden diese anschließend behandelt, als wären es Fremde. Anderen Mäusen schrieben die Forscher die Erinnerung an Artgenossen ins Hirn, denen sie nie zuvor begegnet waren. Prompt verhielten sich die Tiere, als wären sie bestens miteinander vertraut.

Es fehlt dem großen Gedächtnisforscher am MIT nicht an Selbstbewusstsein. Und so wagt Tonegawa es ohne Weiteres, kühne Rückschlüsse von seinen Mäusen auf die menschliche Psyche zu ziehen. Von all den Experimenten, die in seinem Labor stattfinden, ist es aber besonders das letztgenannte, das ihn ins Schwärmen bringt: Die Entdeckung der sozialen Erinnerung, so glaubt er, könne Grundlage für eine glorreiche Zukunft der Hirnforschung sein.

"Wir haben Moleküle, Synapsen und Nervenzellen studiert", sagt er. "Wir beschäftigen uns mit neuronalen Schaltkreisen, Systemen und ganzen Gehirnen." Aber damit sei noch längst nicht das Ende der Neurowissenschaft erreicht. Im Gegenteil, der nächste, vielleicht faszinierendste Schritt stehe erst noch bevor: "Wir werden untersuchen, wie Gehirn und Gehirn miteinander interagieren."

Noch möge es fantastisch klingen, meint Tonegawa, aber irgendwann werde seine Zunft auch die Soziologie, die Politik, die Wirtschaft und die Kunst ins Visier nehmen. Mit den Mitteln der Neurobiologie werde es möglich sein, das Phänomen menschlicher Gesellschaft zu verstehen. "Damit erst wird die Hirnwissenschaft zur wahren Wissenschaft werden", sagt er voller Begeisterung.

Doch dann hält er inne. Es ist, als wäre plötzlich alle Euphorie verflogen.

Unvermittelt sieht sich Tonegawa vor einer Frage, auf die auch er die Antwort nicht kennt: Wozu wird all diese Erkenntnis dienen? Und vor allem: Wird die neurowissenschaftliche Beschreibung gesellschaftlicher Vorgänge helfen können, der Welt Frieden zu bringen? Wird sie dazu führen, Kriege zu überwinden?

Tonegawa bezweifelt es: "Wahrscheinlich wird sich die menschliche Spezies auslöschen, ehe sie sich selbst verstanden hat."

Für Tonegawa steht fest: Mit dem menschlichen Gehirn ist der Evolution ihr Meisterstück gelungen. Es gebe nichts Komplexeres und Geheimnisvolleres auf Erden als diese anderthalb Kilogramm Gewebe. Und doch liege gerade darin die große Tragik. "Unser Gehirn befähigt uns, Großartiges zu vollbringen", sagt Tonegawa. "Doch wir können damit auch Unheil und Schrecken über die Welt bringen."



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Seite 1
Techniker 09.03.2017
1.
Natürlich fehlt wie immer nicht der Hinweis, daß das alles später mal den Menschen helfen könnte. Irgenwie muß man die Forschungsgelder ja rechtfertigen. Mir als zu Depressionen neigendem Menschen würde es schon helfen, wenn nicht immer alles mit Tierquälerei verbunden wäre. Dafür kann ich gerne auf die nächste Behandlungsmethode mit allenfalls mäßigem Erfolg verzichten.
skrackow 09.03.2017
2. Theodosius Tonegawa
Nothing in biology makes sense except in the light of evolution. Nothing in psychology makes sense except in the light of neurobiology. Möchte man meinen. Vielleicht kann dies Verständnis helfen - zumindest zu verstehen, warum nichts hilft...
binismus 09.03.2017
3. Wie Forscher falsche Erinnerungen ins Gehirn beamen
Jedenfalls habe ich etwas aus diesem Bericht gelernt. Wer schnell aufgibt ist Depressiv. Aha! Also bleibe ich aggressiv am Ball und damit am Leben.
aschheim 09.03.2017
4. Nachhilfe in Aussagenlogik
Zitat von binismusJedenfalls habe ich etwas aus diesem Bericht gelernt. Wer schnell aufgibt ist Depressiv. Aha! Also bleibe ich aggressiv am Ball und damit am Leben.
Nein, im Artikel steht nur, dass wer depressiv ist, schnell aufgibt. Es gibt aber möglicherweise (ich denke ganz sicher) noch andere Gründe, warum man schnell aufgibt, das muss nicht unbedingt einer Depression geschuldet sein. Der Aussage im Artikel äquivalent ist aber, dass wer nicht schnell aufgibt, auch nicht depressiv ist (denn wäre er depressiv, gäbe er schnell auf).
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