Wie das Gehirn funktioniert, bleibt ein Rätsel, bei dem nur wenige Teile vorhanden sind. Ein großes Stück davon ist eigentlich eine Vermutung: dass es eine Beziehung zwischen der physischen Struktur des Gehirns und seiner Funktionalität gibt.

Zu den Aufgaben des Gehirns gehören die Interpretation von Berührungs-, Seh- und Toneingaben, aber auch Sprache, Denken, Emotionen, Lernen, Feinsteuerung von Bewegungen und vieles mehr. Neurowissenschaftler gehen davon aus, dass all diese Funktionen durch die Anatomie des Gehirns mit seinen Hunderten von Milliarden Nervenfasern ermöglicht werden. Die „lebenden Drähte“ des Gehirns sind in ausgeklügelten neurologischen Netzwerken miteinander verbunden, die die erstaunlichen Fähigkeiten des Menschen ermöglichen.

Wenn es Wissenschaftlern gelingt, die Nervenfasern und ihre Verbindungen abzubilden und den zeitlichen Ablauf der Impulse aufzuzeichnen, die für eine höhere Funktion wie das Sehen durch sie hindurchfließen, sollten sie in der Lage sein, die Frage zu lösen, wie man zum Beispiel sieht. Die Forscher werden immer besser darin, das Gehirn mit Hilfe der Traktographie abzubilden – einer Technik, die die Nervenfaserverläufe mithilfe von 3D-Modellen visuell darstellt. Und sie werden immer besser darin, aufzuzeichnen, wie sich Informationen durch das Gehirn bewegen, indem sie eine verbesserte funktionelle Magnetresonanztomographie zur Messung des Blutflusses einsetzen.

Aber trotz dieser Hilfsmittel scheint man der Frage, wie wir wirklich sehen, nicht viel näher gekommen zu sein. Die Neurowissenschaft hat nur ein rudimentäres Verständnis davon, wie alles zusammenhängt.

Um dieses Manko zu beheben, konzentriert sich die biotechnologische Forschung meines Teams auf die Beziehungen zwischen Gehirnstruktur und -funktion. Das übergeordnete Ziel ist es, alle Verbindungen – sowohl anatomische als auch drahtlose – wissenschaftlich zu erklären, die verschiedene Gehirnregionen während kognitiver Aufgaben aktivieren. Wir arbeiten an komplexen Modellen, die das, was die Wissenschaftler über die Gehirnfunktion wissen, besser erfassen.

Ein klareres Bild von Struktur und Funktion kann schließlich die Art und Weise verfeinern, wie die Gehirnchirurgie versucht, die Struktur zu korrigieren, und umgekehrt Medikamente versuchen, die Funktion zu korrigieren.

Drahtlose Hot Spots im Kopf

Kognitive Funktionen wie Denken und Lernen nutzen eine Reihe verschiedener Hirnregionen in einer zeitlich abgestimmten Weise. Die Anatomie allein – die Neuronen und Nervenfasern – kann die gleichzeitige oder gleichzeitige Erregung dieser Regionen nicht erklären.

Einige Verbindungen sind tatsächlich „drahtlos“. Dabei handelt es sich um elektrische Nahfeldverbindungen und nicht um die physikalischen Verbindungen, die in Traktographen erfasst werden.

Mein Forschungsteam hat mehrere Jahre lang daran gearbeitet, die Ursprünge dieser drahtlosen Verbindungen im Detail zu erforschen und ihre Feldstärken zu messen. Eine sehr einfache Analogie für das, was im Gehirn vor sich geht, ist die Funktionsweise eines drahtlosen Routers. Das Internet wird über eine kabelgebundene Verbindung an einen Router geliefert. Der Router sendet dann die Informationen über drahtlose Verbindungen an Ihren Laptop. Das gesamte System der Informationsübertragung funktioniert sowohl über kabelgebundene als auch über drahtlose Verbindungen.

Im Falle des Gehirns leiten Nervenzellen elektrische Impulse über lange fadenförmige Arme, die Axone, vom Zellkörper zu anderen Neuronen. Auf diesem Weg werden natürlich auch drahtlose Signale von nicht isolierten Teilen der Nervenzellen ausgesendet. Diese Stellen, denen die schützende Isolierung fehlt, die den Rest des Axons umhüllt, werden Ranvier-Knoten genannt.

Die Ranvier-Knoten ermöglichen es geladenen Ionen, in das Neuron hinein- und aus ihm herauszudiffundieren, wodurch sich das elektrische Signal das Axon hinunter ausbreitet. Während die Ionen ein- und ausströmen, werden elektrische Felder erzeugt. Die Intensität und Struktur dieser Felder hängt von der Aktivität der Nervenzelle ab.

Hier im Global Center for Neurological Networks konzentrieren wir uns darauf, wie diese drahtlosen Signale im Gehirn funktionieren, um Informationen zu übermitteln.

Die nichtlineare Welt des Gehirns

Untersuchungen darüber, wie erregte Hirnregionen mit kognitiven Funktionen zusammenpassen, machen einen weiteren Fehler, wenn sie sich auf Annahmen stützen, die zu allzu einfachen Modellen führen.

Forscher neigen dazu, die Beziehung als linear mit einer einzigen Variablen zu modellieren, indem sie die durchschnittliche Größe der Reaktion einer einzelnen Hirnregion messen. Das ist die Logik hinter dem Design des ersten Hörgeräts – wenn die Stimme einer Person doppelt so laut wird, sollte das Ohr doppelt so stark reagieren.

Aber Hörgeräte haben sich im Laufe der Jahre stark verbessert, da die Forscher immer besser verstanden haben, dass das Ohr kein lineares System ist und eine Form der nichtlinearen Kompression erforderlich ist, um die erzeugten Töne an die Fähigkeiten des Hörers anzupassen. Tatsächlich haben die meisten Lebewesen keine Wahrnehmungssysteme, die linear und eins-zu-eins auf Reize reagieren.

Lineare Modelle gehen davon aus, dass bei einer Verdopplung des Inputs in ein System auch der Output des Systems verdoppelt wird. Dies gilt nicht für nichtlineare Modelle, bei denen es für einen einzigen Eingabewert viele Ausgabewerte geben kann. Und die meisten Wissenschaftler sind sich einig, dass neuronale Berechnungen in der Tat nichtlinear sind.

Eine entscheidende Frage für das Verständnis der Verbindung zwischen Gehirn und Verhalten ist, wie das Gehirn unter konkurrierenden Alternativen die beste Handlungsweise auswählt. Der frontale Kortex des Gehirns zum Beispiel trifft optimale Entscheidungen, indem er viele Größen oder Variablen berechnet – er berechnet den potenziellen Gewinn, die Erfolgswahrscheinlichkeit und die Kosten in Form von Zeit und Aufwand. Da das System nichtlinear ist, kann eine Verdoppelung des potenziellen Gewinns eine endgültige Entscheidung mehr als doppelt so wahrscheinlich machen.

Lineare Modelle lassen die reiche Vielfalt an Möglichkeiten außer Acht, die in der Gehirnfunktion auftreten können, insbesondere solche, die über das hinausgehen, was die anatomische Struktur nahelegen würde. Das ist wie der Unterschied zwischen einer 2D- und einer 3D-Darstellung der Welt um uns herum.

Die derzeitigen linearen Modelle beschreiben lediglich das durchschnittliche Erregungsniveau in einer Gehirnregion oder den Fluss über eine Gehirnoberfläche. Das sind viel weniger Informationen als die, die meine Kollegen und ich verwenden, wenn wir unsere nichtlinearen Modelle aus Daten der erweiterten funktionellen Magnetresonanztomographie und des elektrischen Nahfeld-Bioimaging erstellen. Unsere Modelle liefern ein 3D-Bild des Informationsflusses über die Oberflächen des Gehirns und in die Tiefen des Gehirns – und bringen uns näher an die Darstellung, wie alles funktioniert.

Normale Anatomie, physiologische Dysfunktion

Mein Forschungsteam ist fasziniert von der Tatsache, dass Menschen mit völlig normal aussehenden Hirnstrukturen dennoch große funktionelle Probleme haben können.

Als Teil unserer Forschung über neurologische Dysfunktion besuchen wir Menschen in Hospizen, Trauerselbsthilfegruppen, Rehabilitationseinrichtungen, Traumazentren und Akutkrankenhäusern. Dabei stellen wir immer wieder mit Erstaunen fest, dass Menschen, die einen geliebten Menschen verloren haben, ähnliche Symptome aufweisen können wie Patienten, bei denen die Alzheimer-Krankheit diagnostiziert wurde.

Trauer ist eine Reihe von emotionalen, kognitiven, funktionellen und verhaltensmäßigen Reaktionen auf den Tod oder andere Arten von Verlust. Sie ist kein Zustand, sondern ein Prozess, der entweder vorübergehend oder andauernd sein kann.

Die gesund aussehenden Gehirne von Menschen, die unter physiologischer Trauer leiden, weisen nicht die gleichen anatomischen Probleme auf – einschließlich geschrumpfter Hirnregionen und gestörter Verbindungen zwischen Neuronen-Netzwerken – wie die Gehirne von Menschen mit Alzheimer-Krankheit.

Wir glauben, dass dies nur ein Beispiel dafür ist, wie die Hot Spots des Gehirns – die Verbindungen, die nicht physisch sind – und die Vielfalt der nichtlinearen Funktionsweise des Gehirns zu Ergebnissen führen können, die durch einen Gehirnscan nicht vorhergesagt werden können. Es gibt wahrscheinlich noch viele weitere Beispiele.

Diese Ideen könnten den Weg zur Linderung schwerer neurologischer Erkrankungen durch nichtinvasive Mittel weisen. Trauertherapie und nichtinvasive elektrische Nahfeld-Neuromodulationsgeräte können die mit dem Verlust eines geliebten Menschen verbundenen Symptome lindern. Vielleicht sollten diese Protokolle und Verfahren verstärkt Patienten angeboten werden, die an neurologischen Funktionsstörungen leiden und bei denen die Bildgebung anatomische Veränderungen aufzeigt. Dies könnte einige dieser Personen vor invasiven chirurgischen Eingriffen bewahren.

Die Darstellung aller nichtphysikalischen Verbindungen des Gehirns mit Hilfe unserer jüngsten Fortschritte bei der elektrischen Nahfeldkartierung und der Anwendung von, wie wir glauben, biologisch realistischen, nichtlinearen Modellen mit vielen Variablen, wird uns einen Schritt näher an unser Ziel bringen. Ein besseres Verständnis des Gehirns wird nicht nur den Bedarf an invasiven Eingriffen zur Korrektur von Funktionen verringern, sondern auch zu besseren Modellen für das führen, was das Gehirn am besten kann: Berechnung, Gedächtnis, Vernetzung und Informationsverteilung.