Netzwerke unter der Lupe

Das Bienensummen weckt die angenehme Kindheitserinnerung an das Klettern auf den blühenden Kirschbaum im Garten der Großeltern. Beim dritten Brüssel-​Besuch poppt die Erinnerung an einen besonderen Schokoladenladen just an der Ecke der Straße hoch, in der dieser liegt. Beim Waldspaziergang sticht das Rascheln im Laub gegenüber dem eigentlich intensiveren Vogelgezwitscher hervor. Lauert da ein Wildschein im Gebüsch?

Das Gehirn ruft oft im richtigen Moment die passende Leistung ab. Wenn Forscher die Netzwerke aus Nervenzellen im Gehirn unter die Lupe nehmen, finden sie Erklärungen für diese Flexibilität. Zwar lassen die unzähligen Verknüpfungen zwischen den Neuronen an eine Straßenkarte denken: Stärkere Verbindungen führen wie Autobahnen durchs Gehirn, schwächere bilden die zahlreichen Nebenstraßen und Abzweigungen. Doch Hirnforscher betrachten die Netzwerke im Kopf, mit deren Hilfe wir uns orientieren, fühlen, uns motivieren oder Entscheidungen treffen, weit weniger statisch. „Neben den räumlichen Mustern spielen auch auch die zeitlichen eine wichtige Rolle“, sagt Andreas Draguhn von der Universität Heidelberg.

Nervenzellen finden sich zu temporären Teams zusammen, um eine bestimmte Aufgabe zu erledigen. „Diese Aktivitätsmuster in Raum und Zeit sind reproduzierbar“, sagt der Sprecher des Sonderforschungsbereiches 1134 mit dem Titel „Funktionelle Ensembles“. Das heißt: Beim gleichen Stimulus, wie etwa dem Bienensummen, werden die gleichen Neuronengruppen wieder aktiviert.

Das legt den Vergleich mit einem Orchester nahe. Hannah Monyer vom Universitätsklinikum Heidelberg verwendet denn auch dieses Bild: „Die Geigen spielen in einem Moment mit den Celli und im nächsten Moment mit den Bläsern“, sagt sie. Dem Brüsseler Schokoladenladen entspräche in diesem Bild ein Ensemble aus Nervenzellen, die synchron feuern, wenn die bewusste Straßenecke erreicht wird. Am nahegelegen Manneken Pis feuert dann eine andere Gruppe von Neuronen – zu denen auch Mitglieder des zuvor aktiven Ensembles gehören können. Wechselnder Projektteams von Nervenzellen bedient sich das Gehirn neuen Ergebnissen zufolge bei unterschiedlichsten Funktionen – etwa der Orientierung, dem Verarbeiten von Sinneseindrücken, der Motivation von Handlungen und dem Treffen von Entscheidungen.

Relativ gut erforscht sind die Gruppen aus synchron feuernden Neuronen, die bestimmte Orte repräsentieren. Sie werden auch „Ortszellen“ genannt Gesucht und gefunden: Orientierungszellen. Für die Entdeckung dieser geistigen Landkarte im Hippocampus von Versuchstieren – einem für Gedächtnisleistungen wichtigen Hirnareal – gab es 2014 den Medizin-​Nobelpreis. Hannah Monyers Team erforscht im Rahmen des SFB 1134, wie der Orientierungssinn arbeitet. In den so genannten Interneuronen fand das Team die Dirigenten des Orchesters. Diese Art von Nervenzellen bilden im Hippocampus und im angrenzenden entorhinalen Cortex zwar eine Minderheit. Doch sie dienen als Taktgeber für die Ensembles aus Ortszellen, die ansonsten nicht synchron feuern würden. Genetisch modifizierte Versuchstiere mit veränderter Aktivität dieser Internneurone erleiden denn auch Gedächtnisstörungen.

Spezielle Neuronenteams leisten sogar ähnliches wie Smartphones: Sie repräsentieren nicht nur Orte, sondern liefern ortsbezogene Zusatzinformation. Etwa dann, wenn ein Fußgänger an den Straßenrand tritt. „Tut er dies in Deutschland, schaut er automatisch nach links“, sagt Cornelius Schwarz vom Werner-​Reichardt-​Centrum für Integrative Neurowissenschaften in Tübingen. In England hingegen würde der Überquerungswillige zuerst nach rechts blicken. Das Gehirn knüpfe situationsbedingt „Assoziationsknoten“, sagt Schwarz. Einer dieser Knoten könnte demnach „Deutschland“ heißen. Dieser würde an einem deutschen Straßenrand mit dem Knoten „nach links gucken“ verbunden. Der Knoten „England“ hingegen mit dem Knoten „nach rechts gucken“.

Die Assoziationsknoten repräsentieren Dinge, die für uns relevant sind, sagt Schwarz. Sie bilden also ein Netz aus Objekten, deren Verbindungen untereinander je nach Stimulus und Situation aktiviert werden. Jeder Knoten kann in verschiedensten Situationen eine Rolle spielen. Daher muss nicht jede Regel ausdrücklich gespeichert werden wie etwa bei einem Computer.

Wie die Assoziationsknoten anatomisch verwirklicht sind, erforschen Schwarz und seine Kollegen. „Wir denken, es sind die cortikalen Kolumnen“, sagt er. Eine cortikale Kolumne ist eine säulenförmige Gruppe von rund 10.000 Neuronen, die alle sechs Schichten der Großhirnrinde durchstößt. Jedes Tasthaar einer Maus etwa ist mit einer bestimmten cortikalen Kolumne verbunden.

Schwarz’ Team untersucht, wie sich die Kolumnen bei neu gelernten Assoziationen verändern. Dazu wackelten sie am Tasthaar und bliesen einige Millisekunden danach einen Luftstoß in das Auge des Tieres, so dass der Lidschlussreflex ausgelöst wurde. Nach einem Training reicht das Wackeln des Haares, um den Reflex zu erwirken, die Assoziation Wackeln-​Lidschluss ist hergestellt.

In der obersten Zellschicht der Kolumne, die viel mit anderen Kolumnen kommuniziert, fanden die Forscher daraufhin Änderungen bei den so genannten Dornfortsätzen der Neuronen. Das sind die Andockstellen für die Synapsen anderer Zellen, die deren Signale empfangen. Warum diese sich nun änderten, wissen die Forscher noch nicht. Sie wollen jetzt ergründen, wo die Neuronen liegen, die zu den veränderten Dornfortsätzen führen.

Was mancher Smartphone-​Nutzer noch mehr zu schätzen wüsste als ortsbezogene Zusatzinformationen, wäre ein Filter, der wichtige Information hervorhebt. Das Gehirn filtert die stetig einströmende Flut an Sinneseindrücken tatsächlich. Ein als wichtig erachteter Reiz dominiert alle anderen, etwa das Rascheln im Laub des Waldes, das den Angriff eines Wildschweines bedeuten kann. Auch ein Reiz, der eine Belohnung verspricht, wie der Duft einer Tasse Kaffee, sticht heraus. Die Filterung von Eindrücken und die Motivation, etwas zu tun oder zu lassen, hängen also eng zusammen.

Auch bei der Gewichtung von Eindrücken spielen Projektteams aus Nervenzellen eine entscheidende Rolle. Wie das funktioniert, untersucht Wolfgang Kelsch vom Zentralinstitut für Seelische Gesundheit (ZI) in Mannheim. Verarbeitet wird der von der Großhirnrinde kommende Sinnesreiz von so genannten Basalganglien, die unterhalb der Großhirnrinde liegen. „Dirigiert“ werden die Neuronen der Basalganglien von „dopaminergen Neuronen“, sagt Kelsch. Das sind Neuronen, deren Synapsen den Neurotransmitter Dopamin an andere Nervenzellen abgeben. Das Dopamin gibt einem Reiz seine Bedeutung, so nehmen die Forscher an. Demnach gewinnt ein von Dopaminausschüttung begleiteter Reiz an Wichtigkeit und sticht gegenüber anderen Eindrücken heraus. „Ungeklärt ist die Frage: Was passiert im Netzwerk unter dem Einfluss von Dopamin“, sagt Kelsch. Sein Team untersucht das an Mäusen.

Die Forscher steuern dopaminerge Neurone mit Hilfe einer Methode namens Optogenetik, bei der genetisch veränderte Neurone durch einen Lichtblitz aktiviert werden. So können die Forscher Gerüche gezielt mit einer Dopaminausschüttung paaren und somit dem Reiz für die Maus künstlich Bedeutung verleihen. Mit implantierten Elektroden beobachten sie dabei die Aktivität der Neuronen in den Basalganglien.

„Die Intensität von vorher schon existierenden Antworten auf den Reiz nahm zu“, berichtet Kelsch. Konkret: Die Feuerrate, also gewissermaßen das Tempo des Taktes, in dem die Zellen aktiv sind, wuchs an. Die Wichtigkeit eines Eindruckes scheint also in diesen Größen kodiert zu sein. Kelsch weist auf die mögliche Relevanz solcher Forschungsergebnisse für die Behandlung psychiatrischer Erkrankungen hin: „Bei Psychosen werden zu schnell und zu leicht Wertigkeiten zugeschrieben. Diese Zuschreibungen sind dann auch sehr hartnäckig“, sagt Kelsch. So unterstellen Psychose-​Patienten anderen allzu leicht eine feindliche Absicht oder halten an bestimmten Vorstellungen, etwa beobachtet zu werden, fest, auch wenn sich das Gegenteil beweisen lässt. Ob und wann diese ersten Erkenntnisse aus dem Labor aber Eingang finden werden in die Behandlung Kranker, ist noch nicht absehbar.

Auch höhere Gehirnfunktionen wie Planen und Entscheiden beruhen auf einem fein arrangierten Zusammenspiel von Neuronen, wie Daniel Durstewitz vom ZI in Mannheim meint. Er simuliert das Spiel der feuernden Neuronen im Computer. Dieses erinnert an die Einsätze verschiedener Instrumente in einem Orchester. Im Hippocampus zum Beispiel produzieren Nervenzellen kollektiv eine so genannte Thetawelle – It´s the rhythm. Diese fungiert mit ihrer gleichmäßigen Frequenz wie ein Metronom. Einzelne Neuronen feuern nun in unterschiedlichen Zeitpunkten zwischen den Taktschlägen. Der Psychologe und Mathematiker Durstewitz nennt diese Verzögerungen „Phase“. „Die Idee ist, dass diese Phasen Objekte kodieren“, sagt Durstewitz. Dieses an Musik erinnernde Prinzip scheint also ein Code des Gehirns zu sein.

Das Computermodell simuliert die Aktivität vieler Neuronen, indem es zum Beispiel deren Phasen im zeitlichen Verlauf darstellt. Bei der Neuronenaktivität zeigen sich so genannte Attraktoren, also gewissermaßen Gravitationszentren, auf die sich die Neuronenaktivtät zubewegen kann und sich so angleicht. Man kann sich das vorstellen wie ein Diagramm, das die Geschwindigkeit von Autos während einer Autobahnfahrt in zahlreichen Profilen darstellt. Diese werden zwischen 80 und vielleicht 160 km/​h schwanken. Kommt nun ein Tempolimit (der Attraktor) oder entsteht zähfließender Verkehr, nähern sich die Geschwindigkeiten der Autos an, die Ausschläge nach oben oder unten werden geringer.

Für Durstewitz repräsentieren die Attraktoren verschiedene Handlungsoptionen. Im Autobahnbild wäre das zum Beispiel, 80 oder 120 km/​h zu fahren. Indem die Neuronen Informationen sammeln, nähern sie sich nach und nach einem der Attraktoren. „So sammelt das Gehirn Evidenz, welche der Optionen die bessere ist“, erläutert Durstewitz. Wenn etwa das Rascheln im Laub lauter und lauter werde, spreche dies für die Option Fliehen.

Ob beim Erinnern, Wahrnehmen oder beim Entscheiden: Die Forschung zeigt einmal mehr, dass das Gehirn wenig mit einem Computer gemein hat. Sondern einem Heer von tüchtigen Denkarbeitern ähnelt, das für jeden anstehenden Job zuverlässig und schnell das richtige Ad-​hoc-​Team zusammenstellt.