Hirnforschung

Ein kleiner Rhesusaffe war es, der den Forschern bewies: Das Unglaubliche funktioniert! Vor ihren Augen bewegte sich zielgerichtet der Roboterarm, seine Gelenke streckten sich, die zangenartige Hand vollführte eine Greifbewegung. Doch diesen Roboter steuerte kein Computer und keine Software – sondern das Gehirn des Äffchens im Nebenraum. Seine Neuronen sandten die Befehle aus für jede Bewegung des künstlichen Arms. Das Tier strengte nur seine kleinen grauen Zellen an, war aber äußerlich vollkommen regungslos.

Das Experiment, von Miguel Nicolelis an der Duke University in Durham (North Carolina), das er später auch mit Nachtaffen durchführte, sorgte 2002 nicht nur wegen seiner ausgeklügelten Technik für Furore. Es lieferte ein eindrucksvolles Beispiel für die Interaktion zwischen einem lebenden Gehirn und einem Computer: Der Computer nahm Signale des Affengehirns auf und übermittelte sie an ausführende künstliche Organe.

Möglich war das Ganze allerdings nur durch einen Eingriff, der bei Gegnern von Tierversuchen Grauen auslöst. In den Schädel des Affen waren 320 haarfeine Elektroden eingepflanzt worden. Sie sollten die Nervenimpulse einzelner Neuronen aufnehmen und in den Roboterarm weiterleiten. Zuvor hatten die Wissenschaftler aus der Vielzahl der Hirnsignale einen Teil der Neuronen lokalisiert, die Bewegungsabläufe planen und entsprechende Befehle an Nervenzellen im Rückenmark schicken.

Um den Affen zu trainieren, hatte man ihn eine Zeit lang mit einem Joystick arbeiten lassen. Der an die Nervenzellen gekoppelte Roboterarm führte synchron exakt die gleichen Bewegungen aus, und auf einem Computerbildschirm konnte das Tier die künstliche Bewegung beobachten. Dann trennten die Forscher die Verbindung des Joysticks zum Computer, die Nervenzellen im Gehirn blieben mit dem Roboter verbunden.

Zunächst versuchte der Affe wie gewohnt mit seinem Joystick den Roboterarm zu steuern – er fuchtelte in der Luft herum und starrte auf den Bildschirm. Doch irgendwann, erzählt Nicolelis, kam der unglaubliche Moment, in dem das Tier begriff, dass allein seine Gedanken ausreichten, um den Roboter Bewegungen vollführen zu lassen: Der Affe hörte auf, seinen Arm zu bewegen, und ließ den Joystick los. Nennt man die Steuerbefehle aus den Nervenzellen der motorischen Hirnrinde »Gedanken«, so war es in diesem Experiment gelungen, über den Computer die Gedanken des Affen zu »lesen« und umzusetzen.

Was sich vor drei Jahren in einem Forschungslabor in North Carolina abspielte, ist nur eines von vielen spektakulären Experimenten, welche die Hirnforschung im Augenblick ins Zent-rum der wissenschaftlichen Aufmerksamkeit rücken. Die vielfältigen neuen Erkenntnisse lassen die Fachwelt bereits vom 21. Jahrhundert als »Neuro-Zeitalter« sprechen. Weltweit versuchen Forscher immer tiefer in die Geheimnisse und Funktionsweisen des Gehirns einzudringen. Dabei richtet sich ein Teil der Suche wie im Labor von Miguel Nicolelis auch auf Möglichkeiten, die Fähigkeiten des lebenden Gehirns mit den spezialisierten Leistungen eines Computers zu koppeln.

Auftraggeber der Forschung an der Duke University ist das amerikanische Verteidigungsministerium. Es hat für dieses Anliegen das Project Darpa (Defense Advanced Research Projects Agency) mit einem Etat von 24 Millionen Dollar gegründet. Der Forschungskraftakt soll eine neue Generation von Elektroden, Computerchips und Software hervorbringen, die zum Beispiel Soldaten in die Lage versetzen, durch die Kraft ihrer Gedanken mobile Roboter oder ferngesteuerte Fahrzeuge durch gefährliches Terrain zu führen.

Auch wenn solche Anwendungen vorläufig noch in weiter Ferne liegen – die Fortschritte, die Darpa-Forscher und Neurowissenschaftler ganz allgemein in den letzten Jahren gemacht haben, sind beachtlich (und zum Teil erschreckend). So versucht Tomaso Poggio, ebenfalls Darpa-Forscher und Experte für künstliche Intelligenz am MIT (Massachusetts Institute of Technology), aus dem Gehirn nicht nur Informationen abzulesen, sondern ihm auch willkürlich neue Daten einzuspeisen, genauer gesagt: es zu manipulieren.

Zu diesem Zweck trainierte er zusammen mit dem Neurophysiologen James Di Carlo Rhesus-affen darauf, computergenerierte Hunde und Katzen zu erkennen und zu unterscheiden. Über ins Gehirn implantierte Elektroden wurden die bei dieser Tätigkeit aktiven Zellen der Sehrinde erfasst. Mit einer speziellen Software verwischten die Forscher anschließend die sichtbaren Un-terschiede zwischen Hund und Katze. So entstand auf dem Bildschirm ein »Mischwesen«, das zum Beispiel zu 60 Prozent einer Katze und zu 40 Prozent einem Hund ähnelte.

Allein an der Aktivität der Nervenzellen im Gehirn des Affen versuchten die Wissenschaftler nun zu erkennen, ob der Versuchsaffe das Mischwesen als »Hund« oder als »Katze« einordnen würde. Schon in den ersten Tests waren die Voraussagen, »gelesen« aus den Signalen von einigen hundert Nervenzellen, zu 90 Prozent korrekt!

Nach diesem Erfolg planen die Forscher nun einen zweiten Schritt: Sie wollen dem Affengehirn gezielt Sinneswahrnehmungen vortäuschen. Zum Beispiel ihm mit winzigen Stromstößen in die entsprechenden Nervenzellen vorgaukeln, dass er eine Katze sieht, obwohl ein Hund auf dem Bildschirm erscheint.

Auf der Ebene der taktilen Reize ist die Manipulation des Tierhirns einer anderen Forschergruppe bereits gelungen: Sanjiv Talwar von der State University of New York und sein Team haben es geschafft, fünf Ratten zu lebenden »Robotern« umzufunktionieren. Über zwei haarfeine Elektroden reizen sie die Hirnregionen der Tiere, in denen normalerweise die Nachrichten der Tasthaare ankommen. So können sie den Ratten jederzeit gezielt Berührungsreize vortäuschen.

Damit die Tiere sich aber wirklich fernsteuern lassen, wurde auch eine »virtuelle Belohnung« eingeplant: Mit einer dritten Elektrode lassen sich Bereiche des Vorderhirns stimulieren, in denen normalerweise die Lustgefühle entstehen, die eine Ratte beim Fressen und Trinken empfindet. Den notwendigen Radioempfänger samt kleinen Batterien tragen die Tiere in einem Rucksäckchen mit sich.

Über gezielte Stimulation des Gehirns konnten die »Ratbots« in einer ersten Trainingsphase dazu gebracht werden, in einem Labyrinth vor- und zurückzulau-fen sowie nach links oder rechts abzubiegen. Inzwischen sind die Forscher noch weiter: Bis auf 500 Meter Entfernung können sie ihre fünf Ratten jetzt mithilfe eines Laptops fernsteuern. Auf entsprechende sensorische Kommandos klettern die Tiere über Hindernisse, balancieren über schmale Leisten und quetschen sich durch enge Öffnungen.

Wie um dieses auf viele Menschen abstoßend wirkende Experiment einer breiteren Öffentlichkeit »schmackhaft« zu machen, weisen die Forscher auf humanitäre Einsatzmöglichkeiten hin: Später einmal sollen die Ratten verschüttete Menschen oder tödliche Minen aufspüren.

»Gedanken lesen« auf der einen Seite, Manipulation des Gehirns auf der anderen – beides ist im Tierversuch und in ersten Ansätzen also heute möglich. Doch die Vision der amerikanischen Forscher ist noch ehrgeiziger: Ihnen geht es darum, die zwei Technologien miteinander zu verbinden. Damit wäre eine über den Computer laufende Kommunikation direkt von Gehirn zu Gehirn möglich. Faszinierend an dieser Vorstellung: So werden Systeme denkbar, welche die physischen Fähigkeiten von Menschen übertreffen. Man könnte Schwierigkeiten umgehen, die aus der Trägheit und Unberechenbarkeit eines lebenden Organismus entstehen.

Spätestens bei solchen Überlegungen klingeln bei vielen Menschen die Alarmglocken. Gedanken lesen zu können, das ist zwar ein alter Traum. Aber die eigenen Gedanken anzapfen lassen? Im Tierversuch mag es vielen noch akzeptabel erscheinen – doch zum Menschenbild ge-hört die Autonomie des Denk-organs. Niemand möchte sich die eigenen Wahrnehmungen und damit die Einschätzung der Realität von außen steuern oder sogar verfälschen lassen.

Doch dass es überhaupt so weit kommen könnte, bezweifeln nicht wenige Wissenschaftler. Nach ihrer Meinung machen technische Schwierigkeiten den Albtraum der totalen Manipulation auch in Zukunft eher unwahrscheinlich. Nur ein Beispiel: Schon eine genaue Zuordnung der Neuronen zu den unterschiedlichen Bereichen des Denkens, Fühlens und Handelns scheint aussichtslos, denn in jedem Quadratzentimeter Hirn-rinde stecken rund 100000 Nervenzellen mit ebenso vielen Verbindungen zu anderen Neuronen! Und wollte man zwei Gehirne tatsächlich miteinander »sprechen« lassen, bräuchte man für ein Gespräch von wenigen Minuten mindestens drei Wochen. Der technische Aufwand, um Worte nur über Nervenzellen zu übertragen, ist ungleich grö-ßer als etwa der Austausch einfacher Bewegungen oder visueller Wahrnehmungen.

'Weniger erschreckend und menschenfreundlicher als die Experimente mit »Gedanken-übertragungen« erscheint ein anderer Zweig der modernen Neuro-Forschung: die Suche nach Möglichkeiten, um ausgefallene Hirnfunktionen mithilfe elektronischer Geräte zu ersetzen. Damit könnte der ständig wachsenden Zahl von Alzheimer- und Parkinson-Kranken geholfen werden. Bei diesen Krankheiten gehen ständig Teile des Gehirns zugrunde. Winzig kleine »Neuroprothesen« könnten die fehlenden Funktionen übernehmen.

Die Hauptschwierigkeit, vor der Forscher hier stehen: Wie lässt sich eine bioverträgliche Schnittstelle Gehirn–Computer entwickeln? Wie kann man Technik mit Natur, die starre Hardware mit den empfindlichen Hirnzellen physisch verbinden und diese Verbindung über Monate oder sogar Jahre hinweg aufrechterhalten? Bisher gibt es nur wenige Erfahrungen mit dauerhaft implantierten Elektroden bei Menschen. Doch Tierversuche haben gezeigt, dass Abstoßungsreaktionen häufig vorkommen. Beim ersten Kontakt mit der fremden eindringenden Metallelektrode wehrt sich das Nervengewebe, indem es das Implantat mit Bindegewebe abschirmt. Die Folge: Sie liefert keine elektrischen Signale mehr. Schlimmstenfalls wird sie sogar beschädigt und fällt aus.

Im Labor ist es bisher gelungen, diese Schwierigkeit zu umgehen, indem man kleinere Netze von Neuronen in Zellkultur züchtet und erforscht. Als Erster schaffte es der deutsche Biophysiker G. W. Gross 1977, lebendige Nervenzellen auf Elektroden anzusiedeln und miteinander in Kontakt zu bringen. Er entwickelte so genannte Multi-Mikro-Elektroden-Arrays, Glasplättchen, auf denen 500 und mehr Nervenzellen wachsen. Die so vernetzten lebenden Zellen kommunizieren miteinander. Ihre Signale werden von auf dem Chip befindlichen Elektroden über elektromagnetische Felder aufgenommen und abgeleitet. Umgekehrt können die Elektroden aber auch durch leichte Stromstöße die Nervenzellen zur Kommunikation anregen.

Solche Elektroden-Arrays erlauben Untersuchungen, die im lebenden Gehirn unmöglich wären. Zum Beispiel kann man damit elektrische Eigenschaften des Zellverbands messen sowie den Einfluss der Netzwerkarchitektur auf seine Funktion.

Untersucht werden auch Plastizität und Lernfähigkeit der Neuronen, die Synapsenbildung, der Sauerstoffverbrauch, der Stoffwechsel und die Reaktionen des Netzwerkes auf Kontakt mit Stoffen aus der Umwelt. Die an der Uni Rostock von Professor Dieter Weiss und seinen Mitarbeitern weiterentwickelten Silicium-Neuro-Biochipsysteme sind heute für die Grundlagenforschung, etwa die Gedächtnisforschung, unverzichtbar geworden. Nützlich sind sie auch bei der Entwicklung von Biosensoren oder der Erprobung neuer Medikamente. Nicht zuletzt können sie in vielen Fällen die Tierversuche ersetzen.

Auch wenn die Entwicklung von »Neuro-Prothesen« fürs menschliche Gehirn noch eher Zukunftsmusik ist – ein spektakulärer Anfang ist geschafft. Zurzeit wird ein Retina-Implantat an ersten Versuchspersonen getestet. Es soll Blinden das Erkennen von Tag und Nacht, die Wahrnehmung von großen Objekten und eine Orientierung im Raum ermöglichen.

Viele neue Forschungsrichtungen versuchen also direkt ins Gehirn einzudringen und dort – vereinfacht ausgedrückt – einzelne Neuronenfelder zu beobachten und zu aktivieren. Eine andere Richtung setzt auf eine ältere, »nicht invasive« Methode: das EEG – das Abgreifen der Spannungsunterschiede von der Kopfhaut (Elektroenzephalogramm). Was da an der Schädeloberfläche ankommt ist eigentlich ein »Wellensalat«. Seine Muster lassen zwar Störungen erkennen, doch für die Kommunikation sind sie zunächst nicht brauchbar. An der Universität Tübingen wurde nun ein »Ge-danken-Übersetzungssystem« entwickelt, das es total gelähmten Patienten ermöglichen soll, sich mit ihren Mitmenschen zu verständigen. Die Forscher um Professor Niels Birbaumer haben ein Verfahren erarbeitet, bei dem die Betroffenen in einem langen Training lernen, einen Teil ihrer Hirnströme bewusst zu dirigieren.

Möglich wird das, weil man ihnen ihre Gehirnaktivität auf einem Bildschirm in Form eines auf- und absteigenden Lichtballs sichtbar macht. Per »Neuro-Feedback« lernen sie so, die Intensität ihrer Gehirnaktivität zu beeinflussen und für den Computer unterscheidbare Signale zu erzeugen. Ziel ist es z. B., einen Cursor auf dem Bildschirm zu bewegen und Buchstaben oder Wörter auszuwählen.

Während die Tübinger Forscher mit langsamen »Hirnpotenzialen« (niederfrequenten Hirnströmen) arbeiten, benutzen Forscher in Graz jene Hirnwellen, die entstehen, wenn wir uns Bewegungen vorstellen. Jetzt sollen die Tübinger und die Grazer Erkenntnisse und auch noch andere Ansätze zusammengeführt werden, mit dem Ziel, eine universell einsetzbare Kommunikations-Software zu entwickeln. Sie soll in Zukunft weltweit für Behinderte über das Internet verfügbar sein.

Ein neues Zauberwort in der Hirnforschung heißt »Neuroimaging«, ein Sammelbegriff für die zahlreichen neuen bildgebenden Verfahren. Zurzeit sind zwölf davon beim gesunden Menschen anwendbar. Sie bieten ganz neue Möglichkeiten für die Grundlagenforschung. So können damit die Strukturen des Gehirns dargestellt werden, seine Biochemie (z. B. die Verteilung von Rezeptoren) und seine Funktionen (Stoffwechsel, Durchblutung, elektromagnetische Aktivität). Das zurzeit wichtigste Verfahren ist die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) (siehe Kasten).

Ein Beispiel für die Experimente mit fMRT: Die Versuchsperson legt sich in die Röhre und bearbeitet in Gedanken eine Testaufgabe. Auf dem Monitor bilden sich die Hirnbereiche ab, die bei der Gedankenarbeit besonders aktiv sind. Durch solche Tests konnte man zum Beispiel in der Sehrinde eine Region ausmachen, die besonders bei der Farb-, eine andere, die bei der Bewegungserkennung aktiv wird. »Auch einige in der Menschheitsentwicklung besonders wichtige Reize scheinen bevorzugt an bestimmten Stellen verarbeitet zu werden,« erklärt Henrik Walter, der an der Universitätsklinik Ulm psychologische Experimente mit der fMRT-Methode analysiert.

So gibt es eine »face-area«, die aktiv wird, wenn wir ein Gesicht sehen, und eine »place-area«, die auf Häuser und Plätze reagiert. Sogar nur die Vorstellung eines Gesichts oder eines Gebäudes bewirkt, dass hier Nervenzellen aktiv werden. Henrik Walter: »Mit anderen Worten: Sofern man weiß, wo man schauen muss, kann man aus den Gehirnaktivitäten ablesen, wo-ran jemand denkt. Dies kommt der Vorstellung des Gedankenlesens schon ziemlich nahe.«

Eine interessante Entdeckung über das Erkennen von Nonsens-Sätzen machte der holländische Hirnforscher Peter Hagoort von der Universität Nijmegen mit einem anderen bildgebenden Verfahren, der Kernspintomografie. Er beobachtete die Gehirnaktivität von Niederländern, während sie einen Text analysierten. »Die holländischen Züge sind gelb« lautete einer der Testsätze. Tatsächlich sind in Holland alle Züge gelb. Ein zweiter Satz lautete: »Alle Züge sind weiß.« In einem dritten hieß es, die Züge in Holland seien sauer. Die Forscher stellten fest, dass das Gehirn beide Fehler – den inhaltlichen (weiß) und den semantischen (sauer) – gleich schnell, mit gleicher Intensität und am gleichen Ort (im linken Stirnlappen) verarbeitete.

So faszinierend, wie die neuen bildgebenden Verfahren auch sind – wirklich detaillierte Aussagen machen sie nicht möglich. Bisher kann man zum Beispiel zwar damit erkennen, dass eine Person ein Wort hört und ob dieses Wort neutral oder emotional aufgeladen ist. Doch der Inhalt des gehörten Wortes lässt sich nicht sichtbar machen: Die Hirnaktivität verrät nicht, ob es sich um »Hund« oder »Katze« handelt. Ob eine so differenzierte Interpretation überhaupt jemals möglich sein wird, ist sehr fraglich. Denn es gibt keine definierten Hirnregionen für bestimmte Begriffe, also z. B. keine Neuronen, die nur bei dem Wort Großmutter »aufleuchten«. Sonst würde unser hochvernetztes Gehirn nicht ausreichen, um alles Denkbare denken zu können. Offenbar sind bei den meis-ten gedanklichen Prozessen viele und ganz unterschiedliche Hirnregionen beteiligt.

Dazu kommt, dass sich bei jedem Menschen die Nervenzellen abhängig von seinen Erfahrungen individuell vernetzt haben. Zwar sind die Hirnareale zum Beispiel für Gesichter oder Gerüche ähnlich lokalisiert, doch der »Schaltplan« innerhalb des jeweiligen Bereichs kann bei zwei Menschen vollkommen anders sein. Grundsätzlich müsste man für jede Person die Korrelationen zwischen aktiven neuronalen Netzen und Umweltereignissen neu untersuchen. Fazit: Die Gedanken sind nach wie vor frei – jedenfalls die komplizierteren.

Egal, welche Wege die moderne Hirnforschung beschreitet, ob es darum geht, Ersatzteile fürs Gehirn zu bauen oder Gedanken zu lesen – immer wieder stoßen Wissenschaftler auf eine grundsätzliche Erkenntnis: Das Gehirn ist das komplexeste Organ, das die Evolution hervorgebracht hat. Es macht deutlich, wie plump selbst hoch entwickelte technische Verfahren im Vergleich zur Natur sind. Sogar das Gehirn der Fliege übertrifft in seinen Fähigkeiten, z. B. in der Berechnung des Landeanflugs auf ein winziges Ziel, viele Computersysteme. Bezogen auf seine Leistung pro Masse ist es sowieso jedem Computer haushoch überlegen. Und was wir Menschen mit unserem Gehirn alles wahrnehmen können, ist nicht einmal annähernd ausgeschöpft.

Eines ist sicher: Mit seinen 100 Milliarden vernetzten Nervenzellen – mehr, als die Milchstraße Sterne hat – wird es uns weiterhin verblüffen.