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Hirnforschung Was unser Fühlen, Denken, Handeln bestimmt

Der Max-Planck-Forscher Moritz Helmstaedter arbeitet an der Kartierung der menschlichen Großhirnrinde.

Gehirnstruktur
Ein weitverzweigtes, schwer entwirrbares Geflecht: ein Stück Gehirnstruktur, riesig vergrößert und in ein farbiges Computerbild übertragen. Foto: Max-Planck-Institute for brain research

Es hat seine Geheimnisse längst noch nicht alle preisgegeben – und ist dabei das zentrale Organ unseres Körpers, Sitz unseres Denkens, Fühlens, Handelns, dessen, was uns als Menschen ausmacht: „Das Gehirn stellt zu einem großen Teil immer noch eine dunkle Materie für uns dar. Wir stehen mit unserem Verständnis noch am Anfang “, sagt Moritz Helmstaedter, Direktor des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung in Frankfurt. Dieses Mysterium zu entschlüsseln, seinen Aufbau zu verstehen, herauszufinden, welche Netzwerke dort zugange sind, wie es in der Lage ist, so effektiv zu arbeiten – das hat sich der 39-Jährige zur wissenschaftlichen Lebensaufgabe gemacht: Moritz Helmstaedter will die menschliche Großhirnrinde mit ihrem gewaltigen, verschlungenen Netzwerk an Nervenzellen komplett kartieren; eine Aufgabe, so ambitioniert wie einst die Entschlüsselung des menschlichen Genoms. Als der Mediziner und Physiker vor knapp drei Jahren als einer von drei Direktoren die Leitung des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung auf dem Campus Riedberg übernahm, baute er dort zu diesem Zweck die Abteilung „Connectomics“ mit rund 40 Mitarbeitern auf.

Seither haben die Wissenschaftler rund 100 winzige Gewebebröckchen aus unterschiedlichen Regionen von Mäusegehirnen untersucht und in dreidimensionale Computerbilder übertragen. Dafür werden die Proben zunächst eingefärbt und mit Plastik ummantelt, anschließend scannen Elektronenmikroskope die Oberfläche ab und schneiden von ihr mit einem Diamantmesser eine hauchdünne Schicht ab – das Ganze jeweils mehrere zehntausend Male, so dass eine lange Serie von zweidimensionalen Bildern entsteht.

Weil Computer jedoch nicht in der Lage sind, das dicht gepackte Netz der Neuronen mit all seinen Verzweigungen zu entwirren und die entsprechenden Datensätze in dreidimensionale Strukturen umzuwandeln, muss an dieser Stelle der Mensch ran, der darin der Maschine immer noch überlegen ist. Diese Aufgabe übernehmen am Max-Planck-Institut 150 Studenten mit Hilfe einer eigens dafür entwickelten Software. Aus den vom Mikroskop gewonnenen Aufnahmen entstehen so am Ende farbige Computeranimationen, die auch für Nicht-Wissenschaftler einen anschaulichen Eindruck von der Komplexität der Netzwerke und Strukturen im Gehirn vermitteln. „Man kann sich diesen Prozess so ähnlich vorstellen, als würde man einen riesigen Berg Spaghetti kochen, diese dann zerschneiden und wieder zusammensetzen; nur, dass unsere Nervenzellen um ein Vielfaches dünner und weitaus verzweigter sind als die Nudeln“, erläutert Helmstaedter.

Bisher arbeiteten die Wissenschaftler vor allem mit Proben von Mäusen, in deren Gehirne sich allerdings „nur“ 75 Millionen Nervenzellen tummeln, während das menschliche Organ auf stattliche 86 Milliarden Neuronen kommt, von denen jedes einzelne zudem noch mit 1000 anderen verknüpft ist. Das alles aufzudröseln und darzustellen, scheint ein unendlich aufwendiges Vorhaben. Für den Laien klingt das so, als wäre es kaum zu bewältigen oder würde zumindest viele Jahrzehnte in Anspruch nehmen.

„In Zukunft werden wir sehr viel schneller Bilder aufnehmen“, sagt Moritz Helmstaedter. Denn seit kurzem verfügt das Max-Planck-Institut für Hirnforschung über ein Elektronenmikroskop mit 61 Strahlen, die das Gewebe parallel abtasten können. Bisher arbeiteten die Wissenschaftler mit den herkömmlichen Geräten, die mit jeweils nur einem Strahl ausgestattet sind. „Das ist ein Sprung wie von einem Pferdewagen auf ein Flugzeug“, veranschaulicht der Wissenschaftler.

Auch sieht er gute Chancen, künftig nicht mehr nur vor allem Mäusegewebe, sondern zunehmend auch humane Proben verwenden zu können. Das war bisher eher die Ausnahme, denn die Wissenschaftler konnten dafür lediglich Gewebe nutzen, das bei Gehirnoperationen – etwa beim Entfernen eines Tumors – ohnehin herausgeschnitten wurde; versorgt werden sie damit von den Neurochirurgien des Universitätsklinikums Frankfurt und der Technischen Universität München. Das Problem: Die Forscher brauchen für ihre Arbeit Proben von lebenden Menschen, weil sich die Zellen nach Eintritt des Todes schnell verändern. Nun aber stehe in Aussicht, dass auch postmortal entnommenes Gewebe so präpariert werden könne, dass es noch aussagekräftig sei, sagt Moritz Helmstaedter. „Das wäre ein Riesendurchbruch.“

Doch auch jetzt bereits haben die Frankfurter Forscher viel herausgefunden über die Struktur und Arbeitsweise des Gehirns – mehr, als er bei seinem Antritt vor drei Jahren gedacht habe, erklärt der Institutsleiter. Zu den zentralen Fragestellungen seines Projekts etwa gehört, „wer bei den Nervenzellen mit wem redet“ –  ob das immer nach dem gleichen Muster getan oder in den verschiedenen Netzwerken auch eine unterschiedliche Art des Austauschs gepflegt wird. Konkret bedeutet das zum Beispiel: Kommunizieren die Nervenzellen, die für das räumliche Sehen oder die Orientierung zuständig sind, auf die gleiche Weise wie jene, die für logisches Denken oder Planen zuständig sind? Dazu gibt es nun bereits erste Ergebnisse, die bislang aber noch nicht publiziert wurden. Moritz Helmstaedter verrät nur soviel: „Wir haben Unterschiede gefunden.“

Eine weitere Frage, die es zu klären gilt, betrifft das Nebeneinander von stabilen und veränderlichen Strukturen. Denn im Gehirn entstehen stetig neue Netzwerke – etwa, wenn man etwas lernt oder sich Erinnerungen hinzugesellen, was ja permanent der Fall ist. „Wie genau wir uns das vorzustellen haben, wissen wir noch nicht“, sagt der Hirnforscher. Man gehe davon aus, dass es einen „strukturellen Kern“ gebe, auf den viel Flexibilität gesattelt werden könne. Auch ist nicht geklärt, auf welchem Weg und nach welchem Prinzip sich neue Netzwerke aufbauen, um beispielsweise nach einem Schlaganfall die Arbeit geschädigter Regionen zu übernehmen.

Der Schlüssel zum Verständnis der Funktionsweise des Gehirns liegt Helmstaedter zufolge in der Organisation der neuronalen Netzwerke. Die Nervenzellen rotteten sich dabei zu „Clubs“ und diese wiederum zu „Blöcken“ unterschiedlicher Größe zusammen. So stellten die Forscher auf Basis einer Gewebeprobe aus einem Mäusegehirn dar, wie Tausende von Nervenzellen einen Club bilden, der für ein einzelnes Schnurrhaar zuständig ist. Mehrere dieser Clubs formieren sich dann zu einem Block, der die Gesamtheit dieser Tasthärchen repräsentiert. Beim Menschen ließe sich das – in entsprechend anderer Größenordnung – auf das System der Finger übertragen, erklärt der Forscher. Schnurrhaare und Finger, sie stehen freilich nur für eine von vielen Fähigkeiten, die vom Gehirn gesteuert werden.

Moritz Helmstaedter wird dennoch nicht bange angesichts des Umfangs seines Vorhabens: „Vor 40 Jahren kannte man beim menschlichen Genom gerade einmal eine Sequenz von hundert der insgesamt Milliarden Basenpaaren auf der DNA. Heute werden jeden Tag vollständige Gensequenzanalysen gemacht, das ist einfacher geworden.“ So wie die Genforschung rasante Fortschritte gemacht hat und neue Möglichkeiten im Hinblick auf das Heilen von Krankheiten in Aussicht stellt, so könnte auch die Hirnforschung nicht alleine das Wissen über das Geschehen im Schädel erweitern, sondern gleichfalls die Basis für neue Therapien liefern.

Die Erkenntnisse aus der Hirnforschung könnten später Ansatzpunkte für die Behandlung von Demenzleiden wie Alzheimer oder psychiatrischen Erkrankungen bieten, hofft Helmstaedter. „Wenn Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs zurückgedrängt sein werden, dürften insbesondere Demenzerkrankungen in unserer alternden Gesellschaft ein immer größer werdendes Problem darstellen. Aber bislang betreiben wir Grundlagenforschung, bis daraus neue Therapien erwachsen, ist es noch ein weiter Weg.“

Doch ebenso wie bei der Genforschung lauert auch hier die Gefahr des Missbrauchs: Es ist so naheliegend wie erschreckend, auf welche Ideen mancher kommen könnte, gäbe es die Möglichkeit, das Gehirn gezielt zu manipulieren und Einfluss auf das Denken und Handeln zu nehmen. Moritz Helmstaedter ist sich solcher möglichen Szenarien bewusst und auch der Verantwortung der Wissenschaft. Sein spezielles Forschungsgebiet beschäftigt weltweit nur wenige Kollegen. „Unsere schärfste Konkurrenz sitzt in den USA“, sagt Moritz Helmstaedter. Der Geldgeber des dortigen Forschungsprojekts lässt aufhorchen: Es ist der Geheimdienst.

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