Wie untersucht die moderne Mainstream-Wissenschaft das Gehirn?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Vor nicht allzu langer Zeit wurde das Gehirn nach historischen Maßstäben als "Black Box" bezeichnet, deren Prozesse im Inneren rätselhaft blieben. Die jüngsten wissenschaftlichen Errungenschaften erlauben es uns nicht mehr, dies so kategorisch zu erklären. Allerdings gibt es im Bereich der Hirnforschung noch weit mehr Fragen als eindeutige Antworten.

Es ist äußerst schwierig, in diesem System, das kosmische numerische Parameter hat und sich in ständiger Bewegung befindet, Mechanismen zu erkennen, die mit dem, was wir Gedächtnis und Denken nennen, korreliert werden könnten. Manchmal muss man dafür direkt ins Gehirn eindringen. Im unmittelbarsten physischen Sinne.

Was auch immer die Verteidiger der Wildtiere sagen, niemand hat Forschern bisher verboten, an den Gehirnen von Affen und Ratten zu experimentieren. Am menschlichen Gehirn - natürlich einem lebenden Gehirn - sind Experimente dagegen aus rechtlichen und ethischen Gründen praktisch unmöglich. In die "graue Substanz" kommt man nur, wie man sagt, für die Firma mit Medikamenten.

Drähte in meinem Kopf

Eine solche Gelegenheit bot sich Hirnforschern in der Notwendigkeit einer chirurgischen Behandlung schwerer Fälle von Epilepsie, die nicht auf eine medikamentöse Therapie ansprechen. Die Ursache der Erkrankung sind die betroffenen Bereiche des medianen Temporallappens. Es sind diese Bereiche, die mit neurochirurgischen Methoden entfernt werden müssen, aber zunächst müssen sie identifiziert werden, um sozusagen „den Überschuss nicht abzuschneiden“.

Der amerikanische Neurochirurg Yitzhak Fried von der University of California (Los Angeles) war einer der ersten, der in den 1970er Jahren die Technologie des Einführens von 1-mm-Elektroden direkt in die Großhirnrinde anwendete. Verglichen mit der Größe von Nervenzellen hatten die Elektroden Zyklopen-Dimensionen, aber selbst ein so grobes Instrument reichte aus, um das durchschnittliche elektrische Signal von einer Reihe von Neuronen (von tausend bis zu einer Million) zu entfernen.

Im Prinzip reichte dies aus, um rein medizinische Ziele zu erreichen, aber irgendwann wurde beschlossen, das Instrument zu verbessern. Von nun an erhielt die Millimeterelektrode ein Ende in Form einer Verzweigung aus acht dünneren Elektroden mit einem Durchmesser von 50 µm.

Dadurch konnte die Messgenauigkeit bis hin zur Fixierung des Signals von relativ kleinen Neuronengruppen gesteigert werden. Es wurden auch Methoden entwickelt, um das von einer einzelnen Nervenzelle im Gehirn gesendete Signal aus dem „kollektiven“Rauschen herauszufiltern. All dies geschah nicht zu medizinischen Zwecken, sondern zu rein wissenschaftlichen Zwecken.

Was ist Gehirnplastizität?

Die Plastizität des Gehirns ist die erstaunliche Fähigkeit unseres Denkorgans, sich an sich ändernde Umstände anzupassen. Wenn wir eine Fertigkeit erlernen und das Gehirn intensiv trainieren, entsteht eine Verdickung im Bereich des Gehirns, der für diese Fertigkeit verantwortlich ist. Die dort befindlichen Neuronen schaffen zusätzliche Verbindungen und festigen die neu erworbenen Fähigkeiten. Im Falle einer Schädigung eines lebenswichtigen Teils des Gehirns baut das Gehirn manchmal die verlorenen Zentren im intakten Bereich wieder auf.

Benannte Neuronen

Gegenstand der Forschung waren Menschen, die wegen Epilepsie auf eine Operation warteten: Während in der Großhirnrinde eingebettete Elektroden Signale von Neuronen abliesten, um den Bereich des chirurgischen Eingriffs genau zu bestimmen, wurden nebenbei sehr interessante Experimente durchgeführt. Und dies war genau der Fall, als die Ikonen der Popkultur - Hollywoodstars, deren Bilder von der Mehrheit der Weltbevölkerung leicht erkennbar sind - der Wissenschaft einen echten Nutzen brachten.

Yitzhak Fridas Kollege, Arzt und Neurophysiologe Rodrigo Kian Quiroga, zeigte den Probanden auf seinem Laptop eine Auswahl bekannter Visuals, darunter bekannte Persönlichkeiten und berühmte Bauwerke wie das Sydney Opera House.

Als diese Bilder gezeigt wurden, wurde die elektrische Aktivität einzelner Neuronen im Gehirn beobachtet, und verschiedene Bilder „schalteten“verschiedene Nervenzellen an. So wurde zum Beispiel ein „Jennifer Aniston Neuron“installiert, das „feuerte“, wenn ein Porträt dieser romantischen Schauspielerin auf dem Bildschirm erschien. Welches Foto Aniston auch immer der Versuchsperson gezeigt hatte, das Neuron „ihr Name“versagte nicht. Darüber hinaus funktionierte es auch, wenn Bilder aus der berühmten Fernsehserie auf dem Bildschirm erschienen, in denen die Schauspielerin mitspielte, auch wenn sie selbst nicht im Bild war. Aber beim Anblick von Mädchen, die nur wie Jennifer aussahen, verstummte das Neuron.

Die untersuchte Nervenzelle war, wie sich herausstellte, genau mit dem ganzheitlichen Bild einer bestimmten Schauspielerin verbunden und keineswegs mit einzelnen Elementen ihres Aussehens oder ihrer Kleidung. Und diese Entdeckung lieferte, wenn nicht sogar ein Schlüssel, einen Anhaltspunkt zum Verständnis der Mechanismen der Langzeitgedächtniserhaltung im menschlichen Gehirn.

Das einzige, was uns daran gehindert hat, voranzukommen, waren die oben erwähnten Überlegungen zu Ethik und Recht. Wissenschaftler konnten keine Elektroden in anderen Bereichen des Gehirns platzieren, außer in denen, die präoperativer Forschung unterzogen wurden, und die Studie selbst hatte einen begrenzten medizinischen Zeitrahmen.

Dies machte es sehr schwierig, eine Antwort auf die Frage zu finden, ob das Neuron von Jennifer Aniston oder Brad Pitt oder der Eiffelturm wirklich existiert, oder vielleicht sind Wissenschaftler aufgrund von Messungen zufällig auf nur eine Zelle aus einem ganzen Netzwerk gestolpert durch synaptische Verbindungen miteinander verbunden, die für die Erhaltung oder Wiedererkennung eines bestimmten Bildes verantwortlich sind.

Mit Bildern spielen

Wie dem auch sei, die Experimente gingen weiter und Moran Cerf schloss sich ihnen an – eine äußerst vielseitige Persönlichkeit. Der gebürtige Israeli versuchte sich als Unternehmensberater, Hacker und gleichzeitig Ausbilder für Computersicherheit sowie als Künstler und Comic-Autor, Autor und Musiker.

Es war dieser Mann mit einem der Renaissance würdigen Talentspektrum, der es vornahm, auf Basis des Jennifer-Aniston-Neurons und dergleichen eine Art neuromaschinelles Interface zu schaffen. Diesmal wurden 12 Patienten des nach V. I. Ronald Reagan von der University of California. Im Rahmen präoperativer Studien wurden 64 separate Elektroden in den Bereich des medianen Temporallappens eingebracht. Parallel dazu begannen Experimente.

Die Entwicklung der Wissenschaften der höheren Nervenaktivität verspricht unglaubliche Perspektiven: Die Menschen werden in der Lage sein, sich selbst besser zu verstehen und mit inzwischen unheilbaren Leiden fertig zu werden. Die moralische und rechtliche Seite von Experimenten an einem lebenden menschlichen Gehirn bleibt ein Problem.

Den Menschen wurden zunächst 110 Bilder zu Themen der Popkultur gezeigt. Als Ergebnis dieser ersten Runde wurden vier Bilder ausgewählt, bei deren Anblick die Erregung von Neuronen in verschiedenen Teilen des untersuchten Bereichs der Kortikalis bei dem gesamten Dutzend Probanden deutlich aufgezeichnet wurde. Dann wurden zwei Bilder gleichzeitig auf dem Bildschirm angezeigt, übereinander gelegt und hatten jeweils eine Transparenz von 50%, dh die Bilder leuchteten durcheinander.

Der Proband wurde gebeten, die Helligkeit eines der beiden Bilder mental zu erhöhen, damit er seinen "Rivalen" verdunkelte. In diesem Fall erzeugte das Neuron, das für das Bild verantwortlich ist, auf das die Aufmerksamkeit des Patienten gerichtet war, ein stärkeres elektrisches Signal als das Neuron, das dem zweiten Bild zugeordnet ist. Die Impulse wurden durch Elektroden fixiert, in den Decoder eingegeben und in ein Signal umgewandelt, das die Helligkeit (oder Transparenz) des Bildes steuert.

Somit reichte die Denkarbeit völlig aus, um das eine Bild auf das andere zu „hämmern“. Als die Probanden gebeten wurden, nicht zu intensivieren, sondern im Gegenteil eines der beiden Bilder blasser zu machen, funktionierte die Gehirn-Computer-Verbindung wieder.

Leichter Kopf

War dieses aufregende Spiel es wert, Experimente an lebenden Menschen durchzuführen, insbesondere an solchen mit ernsthaften Gesundheitsproblemen? Das hat sich nach Ansicht der Projektautoren gelohnt, denn die Forscher befriedigten nicht nur ihre wissenschaftlichen Interessen grundsätzlicher Art, sondern tasteten auch nach Lösungsansätzen für ganz angewandte Probleme.

Wenn es im Gehirn Neuronen (oder Neuronenbündel) gibt, die beim Anblick von Jennifer Aniston aufgeregt sind, dann müssen es Gehirnzellen geben, die für lebenswichtigere Konzepte und Bilder verantwortlich sind. In Fällen, in denen der Patient nicht in der Lage ist, zu sprechen oder seine Probleme und Bedürfnisse mit Gesten zu signalisieren, hilft die direkte Verbindung mit dem Gehirn den Ärzten, die Bedürfnisse des Patienten aus Neuronen zu erfahren. Je mehr Assoziationen entstehen, desto mehr kann eine Person über sich selbst kommunizieren.

Eine in das Gehirn eingebettete Elektrode ist jedoch, selbst wenn sie einen Durchmesser von 50 Mikrometern hat, ein zu grobes Werkzeug, um ein bestimmtes Neuron genau anzuvisieren. Eine subtilere Interaktionsmethode ist die Optogenetik, die die Transformation von Nervenzellen auf genetischer Ebene beinhaltet.

Ed Boyden und Karl Thessot, die ihre Arbeit an der Stanford University begannen, gelten als Pioniere dieser Richtung. Ihre Idee war, mit Miniaturlichtquellen auf Neuronen einzuwirken. Dazu müssen die Zellen natürlich lichtempfindlich gemacht werden.

Da die physikalischen Manipulationen beim Transplantieren lichtempfindlicher Proteine - Opsine - in einzelne Zellen fast unmöglich sind, schlugen die Forscher vor, … Neuronen mit einem Virus zu infizieren. Es ist dieses Virus, das ein Gen, das ein lichtempfindliches Protein synthetisiert, in das Genom von Zellen einführt.

Diese Technologie hat mehrere Anwendungsmöglichkeiten. Eine davon ist die teilweise Wiederherstellung des Sehvermögens in einem Auge mit geschädigter Netzhaut, indem den verbleibenden nicht lichtempfindlichen Zellen lichtempfindliche Eigenschaften verliehen werden (es gibt erfolgreiche Tierversuche). Das Gehirn empfängt elektrische Signale, die durch das einfallende Licht verursacht werden, und wird bald lernen, mit ihnen umzugehen und sie als ein Bild, wenn auch von minderer Qualität, zu interpretieren.

Eine andere Anwendung ist die Arbeit mit Neuronen direkt im Gehirn mithilfe von Miniaturlichtleitern. Durch die Aktivierung verschiedener Neuronen im Gehirn von Tieren mit Hilfe eines Lichtstrahls lässt sich nachvollziehen, welche Verhaltensreaktionen diese Neuronen auslösen. Darüber hinaus könnten „leichte“Eingriffe in das Gehirn in Zukunft einen therapeutischen Wert haben.