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28. Juli 2008, 13:15 Uhr

Neurowissenschaft

Die sieben größten Rätsel der Hirnforschung

Von Hauke Friederichs und Sebastian Witte

Was ist ein Gedanke? Wie rechnet das Gehirn? Forscher verstehen das menschliche Denken heute besser denn je - doch auf grundlegende Fragen haben sie noch immer keine Antwort. Ein Überblick zeigt, welche Probleme Hirnforscher bis heute nicht lösen konnten.

Gedanken sind flüchtig und frei, man kann sie ordnen, verwerfen oder einfach nur treiben lassen – und sie entstehen meist ohne direkten Anstoß von außen.

Gehirn: Unmenge elektrischer Signale
Corbis

Gehirn: Unmenge elektrischer Signale

Lange gingen Hirnforscher davon aus, dass jedem Objekt unserer Gedanken, sei es eine Person, ein Gegenstand oder eine Tätigkeit, eine bestimmte Nervenzelle im Denkorgan zugeordnet ist. Die Idee schien plausibel: Denke ich, sagen wir, an einen Aston Martin DB4 GT, Baujahr 63, flackert in meinem Gehirn ein spezifisches Neuron auf, in dem ebendieser konkrete Gedanke hinterlegt ist.

Heute ist hingegen klar, dass unser Denken so nicht funktioniert. Vielmehr arbeiten bei jedem Gedanken Netze von Neuronen in der Großhirnrinde zusammen. Es gibt also keine zentrale Stelle, die den Gedanken erfasst. Im Gegenteil: Eine Region analysiert Sinnesdaten, eine weitere verknüpft diese mit Erfahrungen, andere Teile des Großhirns bewerten eine Situation oder formulieren Wörter, um Dinge oder Vorgänge zu benennen.

Kurz: Ein Gedanke ist eine über das ganze Gehirn verstreute Erscheinung.

Eine Unmenge elektrischer Signale breitet sich dabei gleichzeitig in unserem Kopf aus. Wie jedoch das Gehirn aus diesen unzähligen Reizen einen zusammenhängenden Eindruck entwickelt, der etwa dem einer zurückliegenden Urlaubserinnerung entspricht, ist ein bis heute ungelöstes Rätsel.

Denn die Erkenntnis, dass elektrische Signale von einer Nervenzelle zur nächsten fließen, sagt ja noch nichts über deren Bedeutung aus, geschweige denn darüber, wie die Neuronen-Verbände jeweils zusammenarbeiten.

Die Forscher wissen nur, dass jeder Gedanke mit einem eigenen Muster der Gehirnaktivität einhergeht: mit einem jeweils spezifischen Gedankenabdruck. Und seit einiger Zeit ist es möglich, solche Aktivitätsmuster sichtbar zu machen, die für bestimmte geistige Zustände – und damit bestimmte Gedanken – charakteristisch sind.

"Wenn Sie lernen, diese Muster zu erkennen", so der Berliner Neurowissenschaftler John-Dylan Haynes, "können Sie feststellen, welche Gedanken jemand gerade hat."

Haynes hat Dutzende Versuchspersonen getestet: Nur im Kopf sollten sie entscheiden, ob sie zwei Zahlen lieber addieren oder subtrahieren wollten. Der Forscher verfolgte die Gehirnaktivität der Probanden mit einem Kernspintomografen und verglich deren Gedankenabdrücke mit zuvor eingespeicherten Mustern. Mit einer Erfolgsquote von mehr als 70 Prozent konnte Haynes so die Absichten seiner Versuchspersonen entschlüsseln – ein aufsehenerregendes Ergebnis. Denn zuvor sei es noch nie gelungen, so Haynes, allein aus der neuronalen Aktivität abzulesen, welche von zwei möglichen Entscheidungen ein Proband getroffen hat.

Maschinen, mit denen man sämtliche Gedanken lesen kann, sind noch Science-Fiction. Doch schon bald könnten die Erkenntnisse der Forscher zur Entwicklung von Systemen führen, die es Schwerstbehinderten ermöglichen, allein mit der Kraft ihrer Gedanken Computer zu bedienen oder eine Prothese zu steuern.

Wie rechnet das Gehirn?

Bereits Säuglinge können die unterschiedlichen Größen kleiner Mengen erfassen. Kindergartenkinder lösen schon einfache Rechenaufgaben, und einige Menschenaffen können kopfrechnen.

Was so simpel klingt, läuft im Gehirn als komplexer Vorgang ab. Selbst bei der Lösung leichter mathematischer Aufgaben arbeiten zahlreiche Hirnregionen zusammen – im Gehirn gibt es nicht den einen Ort der Zahl. Welche Netze von Nervenzellen daran beteiligt sind, wissen die Forscher jedoch nur in Ansätzen.

Wie allen geistigen Leistungen liegen dem Rechnen neuronale Strukturen und Prozesse zugrunde. Mit bildgebenden Verfahren können Forscher diese sichtbar machen. So entdeckten sie, dass Rechnen viel mit Sprache zu tun hat: Erwachsene arbeiten beim Addieren und bei Einmaleins-Aufgaben mit auswendig gelernten Lösungen, die sie aus dem Gedächtnis abrufen. Im Gehirn werden dabei sprachverarbeitende Regionen aktiviert.

Dies geschieht in verschiedenen Kulturkreisen vermutlich unterschiedlich. Hirnforscher aus den USA und China stellten Versuchspersonen aus den jeweiligen Sprachräumen einfache Rechenaufgaben. Die Wissenschaftler entdeckten, dass bei den Probanden mit der Muttersprache Englisch andere Bereiche im Gehirn aktiv waren als bei denen, die mit Chinesisch aufgewachsen sind.

Unklar ist, ob dies an den Sprachen selbst und ihren jeweiligen Schriftsystemen oder an kulturellen Faktoren und schulischen Lernmethoden liegt.

Denken Frauen und Männer unterschiedlich?

Frauen sind emotionaler, Männer aggressiver; Frauen haben mehr Sprachgefühl, Männer werfen besser: Die Unterschiede zwischen männlichen und weiblichen Gehirnen scheinen größer zu sein, als Wissenschaftler noch vor zehn Jahren angenommen haben. So sind männliche Gehirne im Mittel etwa elf Prozent größer (bezogen auf das Körpergewicht ist der Unterschied jedoch nur gering), und ihre Großhirnrinde, in der das bewusste Denken stattfindet, hat einige Milliarden Neurone mehr.

Weibliche Hirne haben dagegen mehr Bereiche mit besonders dicht gepackten Nervenzellen, ihre Gehirnhälften sind besser vernetzt, und ihre Großhirnrinde weist mehr Furchen auf. Doch welche Schlüsse sich daraus ziehen lassen, ist unklar – nur so viel wissen die Forscher bislang: Bei Intelligenztests schneiden Frauen und Männer gleich gut ab.

Wie und wann es in Embryos zu der unterschiedlichen Entwicklung von männlichen und weiblichen Gehirnen kommt, ist Gegenstand der aktuellen Forschung – denn unterschiedliche Hormonkonzentrationen sind wahrscheinlich nicht allein verantwortlich für die ungleiche Ausbildung der Denkorgane. Experimente an Mäusen zeigen, dass bei männlichen und weiblichen Embryonen bereits vor der Hodenbildung beim Männchen (und damit vor der erhöhten Ausschüttung des Hormons Testosteron) 51 der 12.000 im Gehirn wirkenden Gene anders aktiv sind.

Auf den Menschen übertragen, hieße dies, dass bei Männern und Frauen möglicherweise unabhängig von Hormonen unterschiedliche Hirnstrukturen entstehen. Auch können äußere Einflüsse, wie die nach Geschlecht unterschiedliche Behandlung der Babys durch die Eltern, auf die Entwicklung des Hirns einwirken.

Viele Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass gesellschaftliche Einflüsse sowie Erziehung eine so große Rolle für das Denken spielen, dass der biologische Faktor fast bedeutungslos ist. Studien zeigen, dass Männer bei einigen Aufgaben nur dann überlegen sind, wenn ihnen bewusst ist, dass sie eine typische männliche Leistung erbringen sollen.

Ob die anatomischen Unterschiede männlicher und weiblicher Gehirne überhaupt das Denken beeinflussen, bleibt also nach wie vor offen.

Auf welche Weise entsteht Intuition?

Viele Menschen vertrauen auf ihr Bauchgefühl – und liegen damit richtig. Diese Form der unbewussten Eingebung ist zwar kein sechster Sinn, aber stark genug, uns schnell und effektiv entscheiden zu lassen. Mehr noch: Ohne Intuition, sagen die Forscher, wären wir im Alltag gar nicht handlungsfähig.

Jeder von uns muss binnen kürzester Zeit Entscheidungen treffen, ohne sich alle Einzelheiten einer Situation bewusst zu machen. Wie aber schafft es das Gehirn, aus wenigen Details rasch nützliche Schlüsse zu ziehen? Welches sind die neuronalen Grundlagen einer intuitiven Entscheidung? Und weshalb arbeitet unser unbewusster Kompass oft so präzise und verlässlich?

All das ist noch nicht bekannt, doch Studien zeigen: Wenn eine Situation unübersichtlich ist, versagt der analytische Verstand besonders leicht – und dann ist die Intuition dem rationalen Denken überlegen. Dabei schöpft das Bauchgefühl aus unbewusst vorhandenen Erfahrungen, Erinnerungen und Urteilen – und berücksichtigt damit weitaus mehr Informationen als das bewusste Gedächtnis.

Je komplexer eine Entscheidung, desto mehr sollte man seinem Unbewussten vertrauen", so der Amsterdamer Psychologe Ap Dijksterhuis. Manche Forscher behaupten gar: Entscheidungen ohne Intuition gibt es gar nicht. Grundlage unserer Motivation sei immer das Gefühl.

Das aber macht den Menschen anfällig für geschickte Verführung. Seit Jahren schon versuchen Wissenschaftler und Werbestrategen, den Kaufimpuls eines Konsumenten mit den Mitteln der Hirnforschung gezielt zu beeinflussen. Versuche im Kernspintomografen offenbaren, wie etwa ein Markenlogo oder ein TV-Spot beschaffen sein müssen, damit vor allem jene Areale im Gehirn stimuliert werden, die Gefühle und Empfindungen verarbeiten – und die damit für eine Kaufentscheidung ausschlaggebend sind.

Freilich: Eine Aktivität in bestimmten Hirnregionen ist noch kein Beweis dafür, dass anschließend auch gekauft wird.

Wodurch wird der Geist krank?

Nicht jeder, der gerade eine Mozart-Arie hört, hat sein Radio eingeschaltet. Manche Menschen hören Stimmen, die sie für "echt" halten, die dennoch nicht real sind. Solche akustischen Halluzinationen können auf eine Schizophrenie hinweisen – eine der schwersten psychischen Störungen: Jeder Hundertste ist mindestens einmal im Laufe seines Lebens davon betroffen.

Doch wie eine schizophrene Psychose oder viele andere Hirnleiden im Einzelfall konkret entstehen, ist nach wie vor weitgehend ungeklärt. Sicher ist nur, dass neben psychosozialen Faktoren vor allem die erblichen Grundlagen eine entscheidende Rolle spielen: Wenn ein eineiiger Zwilling an Schizophrenie leidet, besteht für seinen genetisch identischen Bruder ein etwa 50-prozentiges Risiko, ebenfalls daran zu erkranken – bei zweieiigen, also genetisch nicht völlig gleichen Zwillingen, sinkt die Gefahr dagegen auf 17 Prozent.

Die Hoffnung vieler Forscher, das Schizophrenie-Gen zu finden, hat sich jedoch zerschlagen. Vermutlich sind etliche Risiko-Gene daran beteiligt. Sie steuern meist die Produktion bestimmter Proteine, mit deren Hilfe die Gehirnzellen miteinander kommunizieren. Ist die Signalübertragung durch einen Gen-Defekt gestört, kann es leicht zum Ausbruch der Schizophrenie kommen. Auch bei anderen psychischen Störungen, etwa der Manischen Depression, bestimmen Gene das Risiko erheblich mit.

Schon in zehn Jahren aber hoffen Forscher die wichtigsten genetischen Grundlagen der Geisteskrankheiten verstanden zu haben.

Wie speichert das Hirn Gesichter?

Ein Mensch kann Tausende Gesichter unterscheiden und speichern. Schon Babys finden Gesichter anziehend, instinktiv schauen sie in andere Mienen. Und sie registrieren schnell, welche Gesichter zu ihrer Familie gehören; das Gesicht der Mutter prägen sie sich bereits kurz nach der Geburt ein.

Ermöglicht wird all dies von Netzen aus Milliarden Neuronen in der Großhirnrinde. Abgelegt werden die einmal wahrgenommenen Gesichter wie andere Gedächtnisinhalte im Neokortex.

Die Neurowissenschaftlerin Alumit Ishai hat in einer Studie zum Arbeitsgedächtnis gezeigt, dass bestimmte, mit einem Kernspintomografen aufgezeichnete Erregungsmaxima für Häuser, Gesichter oder Stühle in unterschiedlichen, jeweils eng umgrenzten Regionen lokalisiert sind.

Auch die Ergebnisse anderer Forscher legen nahe, dass vermutlich ein kleiner Bereich in den Schläfenlappen auf Gesichter spezialisiert ist. Bei weiteren Versuchsreihen gelang es Ishai, die Zusammenarbeit mit anderen Hirnarealen zu erhellen: Zunächst gelangen die Eindrücke in die Schläfenlappen, werden dort verarbeitet und an jene Teile des Großhirns weitergeleitet, die auf den emotionalen Ausdruck der Gesichter oder ihre soziale Relevanz reagieren. Dort entscheidet sich auch, ob ein Gesicht als schön empfunden wird.

Rätselhaft aber bleibt nach wie vor, wie das Gehirn visuelle Informationen über Gesichter verarbeitet und mit gespeicherten Daten abgleicht. Denn wir sind in der Lage, Menschen noch nach Jahren wiederzuerkennen, selbst wenn das aktuelle Bild mit dem gespeicherten Gesicht nicht mehr übereinstimmt, weil das Gegenüber gealtert ist, einen Vollbart trägt oder sich beim Schönheitschirurgen unter das Messer gelegt hat.

All das sind verblüffende Fähigkeiten, mit denen das menschliche Gehirn jedes Computerprogramm bei Weitem übertrifft und die noch immer kein Wissenschaftler erklären kann.

Wie funktioniert eine Narkose?

Der Anästhesist setzt die Spritze. Nach kurzer Zeit verliert der Patient jede bewusste Wahrnehmung, seine Reflexe werden gedämpft, und er stellt sogar das selbstständige Atmen ein. Ein Schlauch, in die Luftröhre eingeführt, versorgt den Körper fortan mit Sauerstoff und einem Cocktail aus mehreren Narkosegasen.

Doch was der Betäubte häufig nicht weiß: Die Arbeit der Anästhesisten zeichnet sich vor allem durch Geschick aus. Sie jonglieren in oft lebensbedrohlichen Situationen mit Substanzen, deren Funktionsweise noch immer kaum bekannt ist und die erhebliche Nebenwirkungen auslösen können.

Denn viele Narkotika dämpfen das Nervensystem gleich mehrfach und wirken sich auch auf Atmung und Herzfunktion aus – was fatale Folgen haben kann.

Die Forscher wissen mittlerweile, dass für die einzelnen Teileffekte einer Narkose – Verlust des Bewusstseins, Reglosigkeit, Schmerzunempfindlichkeit, Aussetzen des Gedächtnisses – jeweils nur bestimmte Verbände von Nervenzellen zuständig sind.

Auf der Oberfläche dieser Zellen sitzen spezielle Rezeptoren: Reagieren sie auf einen betäubenden Stoff, wird der Aufbau neuronaler Aktivität vermindert.

Mit diesem Wissen wollen die Fachleute in Zukunft Narkotika entwickeln, die nur jene Nervenzellen blockieren, deren Deaktivierung für eine Operation notwendig ist – unerwünschte Nebeneffekte wären damit ausgeschlossen.

Das größte Problem hierbei ist das Bewusstsein des Patienten: Bei manchen Eingriffen ist vollständige Bewusstlosigkeit unabdingbar, bei anderen wiederum ist sie eher eine ungewollte Begleiterscheinung. Doch solange die Hirnforscher nicht wissen, wie und wo das Bewusstsein entsteht, muss die Wirkung der Narkotika unklar bleiben. Sicher ist bislang nur, dass verschiedene Teile des Gehirns gleichzeitig an bewussten geistigen Prozessen beteiligt sind. Vermutlich unterbrechen manche Narkosemittel die Verbindungen zwischen den Hirnregionen: "Als wären in einem Telefonnetz zentrale Stecker herausgezogen", veranschaulicht die kanadische Physiologin Beverley A. Orser diesen Zustand.

Wo genau aber diese Stecker im Gehirn zu finden sind, kann noch niemand sagen.

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