Neurowissenschaft

Generationen von Forschern und Philosophen haben sich am Rätsel Bewusstsein die Zähne ausgebissen: Ist es ein Produkt des Gehirns? Oder bleibt es als »reiner Geist« letztlich unerklärbar? Und wo im Gehirn sitzt es? Die neue Disziplin der Neurowissenschaft hat jetzt verblüffende Instrumente entwickelt, um diese und viele andere Fragen zu beantworten: Noch nie waren wir einer Lösung der Rätsel näher als heute!

Philosophen haben sich 2000 Jahre lang Gedanken über das Problem des Bewusstseins gemacht. Aber das hat uns nicht viel weiter gebracht«, konstatiert Christof Koch, einer der weltweit renommiertesten Bewusstseinsforscher. Deshalb gehen er und viele andere Neurowissenschaftler einen anderen Weg: Diese noch junge Forschungsdisziplin will das Bewusstsein jetzt mit rein naturwissenschaftlichen Methoden erklären. Ein Weg, der weit und mühsam sein wird – und voller Steine. Denn bevor die Wissenschaftler die Tür zur Erkenntnis öffnen können, müssen sie mindestens sieben Rätsel lösen.

Rätsel Nr. 1 Was ist das eigentlich: Bewusstsein?
Jeder kennt Schmerz, Lust, Wärme, Farben, den Geschmack von Süßem, den Duft von Rosen. Kurzum: Jeder glaubt zu wissen, was Bewusstsein ist – weil jeder eines hat. Das Problem dabei: Bringt nur das Gehirn diese Empfindungen, dieses Bewusstsein hervor? Ist die Aktivität von Nervenzellen identisch mit dem Gefühl selbst? Oder entsteht die Empfindung unabhängig von der Nervenaktivität? Ist Bewusstsein also etwas Übergeordnetes, Geistiges – letztlich Unerklärliches?

Christof Koch, Professor für Informationsverarbeitung und neuronale Systeme am California Institute of Technology (Caltech), bringt das Paradigma der Neurowissenschaft auf den Punkt. In seinem Buch »Bewusstsein – ein neurobiologisches Rätsel« stellt er klipp und klar fest: »Bewusstsein erwächst aus den neuronalen Merkmalen des Gehirns.« Seit einigen Jahren verfügen die Hirnforscher über Instrumente, um unter der Schädeldecke die rätselhafte »Heimat unseres Ich« zu erkunden und Indizien für ihre These zu sammeln.

Doch der Anspruch der Hirnforschung, eines Tages das Be-wusstsein physikalisch-mathematisch erklären zu können, ist umstritten. David Chalmers, Philosoph an der University of Tucson, US-Bundesstaat Arizona, hält ihn sogar für »reine Magie«. Dass unser Gehirn Bewusstsein produzieren soll, sei wie die Verwandlung von Wasser in Wein. Denn Bewusstsein basiere zwar auf dem materiellen Gehirn, lasse sich aber nicht darauf reduzieren. Wie der Einzelne die Qualität rot oder grün, eckig, spitz oder scharf empfinde, bleibe der Analyse der Gehirnforscher prinzipiell verborgen. Die Empfindung sei nur dem Empfindenden selbst zugänglich. In dieser Sicht erscheinen Bewusstseinszustände als rein geistige Phänomene, die wir letztlich nicht erklären können. »Genau das glaubt sicher auch heute noch die Mehrheit der Menschen auf diesem Planeten«, vermutet Koch. »Sie meinen, dass Bewusstsein etwas ist, was die Wissenschaft nicht erfassen kann.«

Rätsel Nr. 2 Reichen die bekannten Naturgesetze aus, um Bewusstsein zu erklären?
Die zentrale Frage der Hirnforscher lautet: Wie wird aus »Wasser« (den Neuronen-Blitzen und der Gehirn-Chemie) »Wein« – also Bewusstsein? Alle Neurowissenschaftler sind sich im Klaren: Es wird wohl Jahrzehnte dauern, bis sie dieses Rätsel lösen können. Doch zugleich sind sie davon überzeugt, dass alle Vorgänge im Gehirn auf den bekannten Naturgesetzen beruhen, die mit den bekannten mathematischen Gesetzen entschlüsselt werden können. »Ich glaube nicht, dass wir eine neue Mathematik brauchen«, sagt der Berliner Neurobiologe Professor Andreas Herz.

Der anerkannte Mathematiker Roger Penrose von der Oxford University dagegen glaubt, dass nur die immer noch rätselhafte Quantenphysik in der Lage ist, menschliches Bewusstsein zu erklären. Denn verantwortlich dafür, dass der Geist aus dem Gehirn hervorgehe, seien Quantenprozesse in den so genannten Mikrotubuli: drei bis vier millionstel Millimeter dünne Röhrchen aus Eiweißmolekülen, die jede Nervenzelle im Körper durchziehen. Allerdings konnte Penrose bisher keinen biophysikalischen Mechanismus nachweisen, der seine These stützt.

Rätsel Nr. 3 Spiegelt sich in Gehirn-Scans das Bewusstsein wider?
Funktionelle Magnetresonanz-Tomografie (fMRT) und Elektro-Enzephalografie (EEG) haben einen detaillierten Blick in die oberste Organisationsebene des Gehirns eröffnet, vor allem in die Großhirnrinde (Neokortex) – so das Resümee von elf führenden deutschen Hirnforschern in ihrem 2004 veröffentlichten »Manifest« über den Stand der Gehirnforschung. Dank der neuen bildgebenden Verfahren wissen die Forscher heute, welche Areale des Neokortex für welche Leis-tungen zuständig sind – z. B. für das Verstehen von Sprache oder das Analysieren von Bildern. Und sie wissen auch, dass Fähigkeiten wie Sprechen, Denken oder Ich-Bewusstsein nicht bestimmten Hirnregionen allein zugeordnet werden können: All diese Leistungen werden in zum Teil weit auseinander liegenden Regionen erbracht – von sich ständig verändernden Netzwerken aus Milliarden Nervenzellen mit jeweils Tausenden von Kontaktstellen (Synapsen). Bewusstsein ist also das Ergebnis einer gewaltigen Gemeinschaftsarbeit. Das Gehirn hat für höhere Fähigkeiten keine Zentrale.

Die Vorgänge auf der untersten Ebene einzelner Zellen und Moleküle werden den Forschern ebenfalls immer deutlicher – auch wenn längst noch nicht alles entschlüsselt ist. So entdeckten sie, wie neuronale Signale weitergeleitet werden: Winzige Öffnungen in der Zellwand, die »Ionenkanäle«, lassen Ionen passieren oder nicht – und beeinflussen damit die elektrischen Impulse, die von einem Neuron zum anderen fließen.

Doch die »Welt« zwischen oberster und unterster Organisationsebene, wo es um das Zusammenwirken von Tausenden oder Millionen von Zellen geht, wo das Gehirn quasi seine eigentliche Arbeit verrichtet – diese Welt ist immer noch vollkommen geheimnisvoll. Die hier stattfindenden »Kommunikationsprozesse« größerer Neuronenverbände sind zwar die Grundlage der Prozesse auf der obersten Ebene, die wir als »bunte Gehirnbilder« scannen – aber ein Spiegel, der das Bewusstsein 1:1 abbildet, sind die Scans nicht. Fast demütig bekennen die Gehirnforscher in ihrem Manifest: »Nach welchen Regeln das Gehirn arbeitet; wie es die Welt so abbildet, dass unmittelbare Wahrnehmung und frühere Erfahrung miteinander verschmelzen; wie das innere Tun als ›seine Tätigkeit‹ erlebt wird und wie es zukünftige Aktionen plant – all dies verstehen wir nach wie vor nicht einmal in Ansätzen. In dieser Hinsicht befinden wir uns gewissermaßen noch auf dem Stand von Jägern und Sammlern.«

Um in diese geheimnisvolle Zwischenwelt des Gehirns einzudringen, wollen die Gehirnforscher in den nächsten Jahren genauer untersuchen, wie das Zusammenspiel Tausender Nervenzellen funktioniert. Erst wenn das gelingt, werden die großen Fragen nach dem Ich, dem Bewusstsein und dem Willen zu beantworten sein.

Rätsel Nr. 4 Wie formen »feuernde« Neuronen eine »rote Rose«?
Wenn wir eine Rose als »rot« empfinden, liegt der Grund keineswegs darin, dass die von den Augen ausgehenden elektrischen Impulse an einer bestimmten Stelle des Gehirns das Erlebnis »rote Rose« produzieren. Vielmehr werden die ankommenden Daten zuvor im Gehirn »verrechnet«: Erst das Resultat dieser Berechnungen wird schließlich vom Menschen als rote Rose erlebt. Dazu wird alles aktiviert, was wir mit »rot« und mit »Rose« verbinden – jede längst vergessene Erinnerung an das erste Rendezvous, den Rosenstrauß am Hochzeitstag usw. Aus den »elektrischen Mustern« dieses Neuronenfeuers entsteht im Gehirn das »Modell« einer roten Rose. Doch wie schafft es das Gehirn, Millionen von Nervenzellen in einer solchen abgestimmten Weise »feuern« zu lassen? Wie kommt es, dass das Gehirn gewissermaßen wie ein Künstler agiert und ein (Neuronen-)Objekt formt, das wir dann als »rote Rose« erleben?

»Dieser Umwandlung liegen mathematische Regeln zugrunde, nach denen das Gehirn immer komplexere Muster bildet, bis hin zu Gedanken und Bewusstsein«, sagt der Neurobiologe Henry Markram, Direktor des Brain Mind Institute der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). »Diesen Regeln müssen wir auf die Spur kommen, um daraus Gleichungen ableiten zu können, die den Code zur Entschlüsselung des Gehirns bilden. Die Suche nach diesem Code ist für uns die Suche nach dem Heiligen Gral der Gehirnforschung.« Den Neuronen-Code zu knacken, haben sich die EPFL und IBM im »Blue Brain Project« zur Aufgabe gemacht. Ziel: Mithilfe eines Supercomputers soll erstmals der aus Sicht der Forscher zentrale Baustein des Gehirns simuliert werden: die »neokortikale Säule«, eine bestimmte Formation von Neuronen im Neokortex.

Was hat es damit auf sich? Dass der Großhirnrinde eine zentrale Rolle bei der Entschlüsselung aller höheren mentalen Phänomene zukommt, ist unter Gehirnforschern schon lange unumstritten. Vor fünf Millionen Jahren hat sich bei Säugetieren ein großer »Neokortex-Sprung« vollzogen: Die Großhirnrinde, die eine sechslagige Struktur hat, wurde immer größer. Beim Menschen macht sie heute über 80 Prozent des Gehirnvolumens aus. In Relation zur Körpergröße haben wir von allen Lebewesen den größten Neokortex. Er stellt die äußere Schicht des Großhirns dar und umhüllt die anderen Teile des Gehirns wie ein Mantel. Man könne sich den Neokortex als »zwei drei Millimeter dünne Pfannkuchen von jeweils etwa 35 Zentimeter Durchmesser vorstellen, die zusammengeknüllt in den Schädel gestopft wurden«, sagt Christof Koch.

Eine der wichtigsten Entdeckungen bei der Untersuchung der Großhirnrinde gelang vor etwa 30 Jahren dem kanadischen Neurobiologen David Hubel und seinem schwedischen Kollegen Torsten Wiesel. Sie erhielten 1981 den Nobelpreis für den Nachweis, dass die Neuronen der Großhirnrinde in »neocortical columns« (neokortikale Säulen) angeordnet sind.

Etwa 2,5 Millionen solcher baumartig verzweigten Säulen finden sich im menschlichen Neokortex, und jede hat einen Radius von einem halben Millimeter und eine Länge von etwa zwei Millimetern. In einer einzigen »drängen sich, in sechs Schichten angeordnet, etwa 10000 Nervenzellen«, erklärt der Gehirnforscher Wolf Singer. »Und jede dieser Nervenzellen kommuniziert mit durchschnittlich 20000 anderen.« Verblüffender noch: »Die Gesprächspartner können dabei in unmittelbar benachbarten Säulen, aber auch in weit entfernten Hirnstrukturen liegen.« Dies ergebe eine »astronomisch anmutende Komplexität, die der des Universums nicht nachsteht«.

Die Hoffnung der Forscher, diesen Datenwust entschlüsseln und simulieren zu können, beruht auf zwei Entdeckungen. Erstens: Die Neuronen folgen bei ihrer Verschaltung innerhalb der Säulen festen Regeln (die im Detail aber noch unbekannt sind). Zweitens: Diese Regeln sind für alle Säulen gleich – egal, ob es um Sehen, Hören, Sprechen oder Denken geht. Markram glaubt deshalb, über das Verständnis der neokortikalen Säulen zur »Quelle des Bewusstseins« zu gelangen. Die Entschlüsselung des Neuronen-Netzwerks der neokortikalen Säulen sei in ihrer Bedeutung vergleichbar mit der Landung des Menschen auf dem Mond und der Entzifferung des Erbguts. Denn wenn die aufwändigen Simulationen auf dem IBM-Computer zeigen, wie die Groß-hirnrinde jene elektrischen Muster bildet, die wir z. B. als rote Rose wahrnehmen – dann wäre laut Markram bewiesen, »dass Nervenzellen so etwas Geistiges wie Bedeutung zuweisen können«.

Andere Neurowissenschaftler halten das Simulationsprojekt von Markram allerdings nicht für den Königsweg zur Entschlüsselung des Bewusstseins. Man werde nur dann einen entscheidenden Schritt vorankommen, wenn in Experimenten gezielt in das Gehirn eingegriffen werde. Bewusstseinsforscher Koch: »Man muss im Gehirn mit feinsten Elektroden Signale kleiner Neuronengruppen messen. Bei Menschen verbieten sich im Allgemeinen solche invasiven Verfahren. Aber bei Affen oder Mäusen werden wir mit diesen Methoden Gruppen von Neuronen gezielt aktivieren, inaktivieren und manipulieren. Dann testen wir das Verhalten dieser Tiere in diversen Experimenten. So gelingt es, kausale Zusammenhänge in den Neuronenaktivitäten aufzuklären, um zu sehen, was wirklich im Gehirn passiert.« Das Problem der Forschung am Gehirn verschweigt Koch nicht: »Den Neurowissenschaftlern fehlen noch geeignete Instrumente, um in Experimenten mehr als einen winzigen Bruchteil aller Neuronen verfolgen zu können.« Mit Elektroden sei es zurzeit gerade mal möglich, 200 Neuronen gleichzeitig zu »hören«.

Rätsel Nr. 5 Sind Neuronen für die Entstehung von Bewusstsein allein verantwortlich – oder haben sie Helfer?
Bis vor kurzem waren die Forscher davon überzeugt, Denken, Fühlen und Bewusstsein seien ausschließlich auf die Aktivität der Neuronennetzwerke zurückzuführen. Jetzt erkennen sie auch die Bedeutung der Gliazellen (griech. glia = Leim, Kitt) für alle geistigen Funktionen. Diese Zellen, die im menschlichen Gehirn neunmal so häufig wie Nervenzellen vorkommen, schienen bisher nur als Versorger zu fungieren: Sie führen den Neuronen beispielsweise Nährstoffe aus dem Blut zu. Nun haben Hirnforscher herausgefunden, dass die Gliazellen sowohl mit den Neuronen als auch untereinander kommunizieren. Offenbar »hören« sie Nervensignale und beeinflussen die Signalübertragung an den Synapsen. »Sollte zukünftige Forschung neue Hinweise auf eine Teilnahme der Glia an der Kommunikation zwischen den Nervenzellen bestätigen, dann müssten wir gründlich umlernen«, schreibt der amerikanische Neurowissenschaftler R. Douglas Fields. Einen verblüffenden Hinweis auf die Bedeutung der Gliazellen lieferte die Autopsie von Einsteins Gehirn: Es verfügte über außergewöhnlich viel »Nervenkitt«. Besitzen also geniale Menschen mehr oder bessere Glia?

»Einstein lehrt uns, wie wertvoll unkonventionelles Denken sein kann«, schreibt Fields. »Richten wir also den Blick über die Nervenzellen hinaus auf ihre unterschätzten Gefährten, die Gliazellen.«

Rätsel Nr. 6 Führt Nikotin auf die Spur zum Bewusstsein?
Wie komplex unser Gehirn ist, zeigt sich schon darin, dass die Forscher bei ihrer Arbeit immer wieder Überraschungen erleben. So untersuchte vor kurzem der französische Neurobiologe Jean-Pierre Changeux am Pariser Institut Pasteur, wie Nikotin auf die grauen Zellen wirkt – und trug damit unerwartet zur Bewusstseinsforschung bei.

Vom Nikotin weiß man: Einerseits macht es süchtig, andererseits hat es schmerzstillende Eigenschaften und erhöht die Denkfähigkeit. Die Substanz erzielt diese Wirkungen, indem sie mithilfe von Rezeptoren im Gehirn Kommunikationskanäle aktiviert, über die Neuronen ihre Signale austauschen. Und die Kommunikation zwischen Neuronen ist entscheidend für Lernprozesse und Gedächtnisleistungen.

Was aber passiert, wenn man dem Gehirn die Nikotinrezeptoren nimmt? Für seine Versuche verwendete das Forscherteam um Changeux Mäuse, denen via Genmanipulation ein bestimmtes Molekül der »nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren« (nAChRs) im Gehirn fehlte: Dadurch reagierten die Tiere nicht mehr auf zugeführtes Nikotin. Ergebnis: Die Mäuse entwickelten tatsächlich keine Nikotinabhängigkeit – aber dafür waren ihre Orientierungsfähigkeit im Raum und ihre soziale Interaktion stark gestört. So konnten die Forscher zum ersten Mal nachweisen, dass ausgerechnet die Nikotin-Rezeptoren wesentlich zur Entwicklung bestimmter kognitiver Fähigkeiten beitragen. »Solche Experimente«, sagt der Neurowissenschaftler Koch, »bringen uns einen Schritt voran in der Lösung des Rätsels Bewusstsein. Denn wir wissen jetzt zum ersten Mal, dass Nikotin-Rezeptoren im Gehirn vermutlich eine Rolle bei den von uns allen gesuchten neuronalen Korrelaten des Bewusstseins spielen.«

Rätsel Nr. 7 Ist Sprache notwendig für die Entstehung von Bewusstsein?
Lange Zeit hielten viele Forscher die Sprache für das entscheidende Merkmal, das den Menschen vom Tier trennt – eine Manifestation des höheren Bewusstseins. Für manche bedingen sich Sprache und Bewusstsein sogar gegenseitig. Dem widerspricht die Neuropsychologin Angela Friederici, Direktorin des Leipziger Max-Planck-Instituts für Kognitions- und Neurowissenschaften: »Das überraschende Ergebnis unserer Untersuchungen ist, dass viele Sprachprozesse nicht bewusstseinsgesteuert ablaufen.«

Die Forscherin konnte nachweisen: Bereits nach 200 Millisekunden hat das Gehirn die grammatische Struktur eines Satzes analysiert. 200 bis 400 Millisekunden später ist die Bedeutung der Wörter erfasst. Und nach etwa 600 Millisekunden gleicht das Gehirn Satzstruktur und Wortbedeutung gegeneinander ab. Das bedeutet: Irgendwann im Laufe unseres Erwachsenwerdens hören wir augenscheinlich auf, über Nomen, Verben oder Adjektive nachzudenken. Wir nehmen die Struktur der Sprache, die komplexe Grammatik, die die menschliche Sprache von anderen Kommunikationssystemen unterscheidet, nicht mehr bewusst wahr, sondern nutzen sie einfach. Friederici: »Wenn aber das entscheidende Merkmal menschlicher Sprache unbewusst ist – dann gehören Bewusstsein und Sprache nicht so unmittelbar zusammen, wie wir dachten.«

Was bleibt unterm Strich? Auch wenn wir der Antwort auf die Frage nach dem Entstehen des Bewusstseins immer näher kommen: Wie weit wir von der Lösung aller Rätsel entfernt sind – wir können es gar nicht abschätzen. Zu komplex ist unser Hirn, als dass wir diese Komplexität wahrnehmen oder uns auch nur vorstellen könnten – ebenso wenig wie die Vorgänge in der Quantenphysik. Und zu dezentral arbeitet unser Hirn, als dass wir seine dynamischen, nichtlinearen Prozesse nach bisherigem Kenntnisstand voraussagen könnten.

Aber die Suche nach dem »Heiligen Gral der Gehirnforschung«, dem Code, der die Arbeit der grauen Zellen steuert – sie wird weitergehen. Denn die Wissenschaft hat sie zu einem der großen Menschheitsprojekte unserer Zeit gemacht. Und ist dabei bemerkenswert bescheiden geblieben. Weil sich unser astronomisch komplexes und verwirrend dezentrales »Oberstübchen« bisher aller Berechenbarkeit entzieht, sollten wir uns – so der Gehirnforscher Wolf Singer – »von der Planbarkeit der eigenen Zukunft verabschieden und auch jedweder Machbarkeitsfantasie ab-schwören«. Dies könne »der Anstoß zur Entwicklung einer neuen Kultur der Demut sein, in der pragmatische Nahziele wie etwa Leidensminimierung, Empathiefähigkeit und Toleranz zum Primat werden. Dann hätten wir durch die Einsicht in unsere Grenzen die Würde wiedergefunden, die uns diese Einsicht vermeintlich geraubt hat.«

Kultur der Demut? Der Mensch – in seine Grenzen verwiesen? Auch in den Köpfen von Naturwissenschaftlern scheint eine Restunsicherheit mitzuschwingen: Wenn sich eines Tages nach unendlichen Mühen herausstellen sollte, dass der materielle Ursprung des Bewusstseins letztlich doch nicht zu beweisen ist – können wir dann den Glauben an seinen göttlichen Ursprung noch von der Hand weisen?