Hirnforschung: Den Nerv getroffen

Mehrere hundert Milliarden Nervenzellen sind im menschlichen Gehirn zu verzweigten Netzwerken verknüpft. In Form von elektrischen und chemischen Reizen, die über Synapsen genannte Kontaktstellen von einer Nervenzelle zur anderen übertragen werden, rasen die Gedanken in Sekundenbruchteilen durch diese Schaltkreise – wie auf einer dreidimensionalen, unendlich ausbaufähigen Datenautobahn.

Doch wie viele Nervenzellen müssen aktiv sein, damit unser Bewusstsein etwas wahrnimmt? Wie viele Neuronen müssen zum Beispiel gleichzeitig Impulse aussenden, bis wir merken, dass unsere Hand auf einer heißen Herdplatte liegt?

Die Hirnforscher Michael Brecht und Arthur Houweling vom Berliner Bernstein Center for Computational Neuroscience und der Humboldt-Universität wollten genau wissen, wie viele Gehirnzellen für eine Sinneswahrnehmung aktiv sein müssen. Schließlich gelang es ihnen, bei Ratten durch die Stimulation nur einer einzigen Gehirnzelle im somatosensorischen Kortex (siehe Kasten) eine Verhaltensänderung hervorzurufen. Eine solche Reizung im entsprechenden Hirnareal von Menschen löst ein Kribbeln aus. Die Tiere wurden darauf trainiert, sich das Maul zu lecken, sobald ihnen die Tasthaare kribbelten. Als die Wissenschaftler dann eine einzelne Nervenzelle im Gehirn der Ratten mit einem elektrischen Impuls aktivierten, streckten die Tiere ihnen die Zunge heraus. Unter Neurowissenschaftlern ist diese Entdeckung, die am Mittwoch online im Fachblatt „Nature“ veröffentlicht wurde, eine Sensation. Sie zeigt, „dass eine einzelne Nervenzelle in der Lage ist, ein für das Tier spürbares Signal zu übertragen“, sagte Michael Brecht dem Tagesspiegel.

Bisher waren die meisten Hirnforscher davon ausgegangen, dass eine größere Zahl von Neuronen aktiv sein muss, um eine Veränderung in der Wahrnehmung und im Verhalten hervorzurufen. Diese Vermutung stützte sich auch auf die enorme Anzahl der Nervenzellen im Gehirn und die Komplexität der durch Synapsen verbundenen Schaltkreise. „Unsere Ergebnisse zeigen, was für ein ungeheures Potenzial das Gehirn haben muss“, sagte Michael Brecht. Um zu verstehen, warum ihn dieser Gedanke so fasziniert, braucht man sich bloß vorzustellen, was die hundert Milliarden Neuronen im Menschenhirn vollbringen könnten, wenn schon eine einzige reicht, um eine Reaktion hervorzurufen. „Außerdem zeigt das, wie präzise die Neuronen arbeiten“, sagte Brecht.

Untermauert werden die Ergebnisse durch eine zweite in „Nature“ veröffentlichte Studie. US-Forscher veränderten Nervenzellen von Mäusen auf genetischer Ebene und machten sie dadurch lichtempfindlich. Dann stimulierten sie die Neuronen mit Lichtblitzen und beobachteten das Verhalten der Mäuse. Auch dabei reichte es, wenige Neuronen kurz zu reizen, um eine Verhaltensänderung auszulösen. Besonders wichtig an beiden Studien seien die Methoden, sagte Brecht. Bisher konnten nur Hirnregionen oder Neuronengruppen angeregt werden.

Brecht und seine Mitarbeiter haben eine Methode weiterentwickelt, die ursprünglich zum Einfärben von Nervenzellen dient. Sie reizten einzelne Zellen mit einer Glaspipette, mit nanoamperekleinen elektrischen Strömen. Das ist viel spezifischer als bisherige Verfahren, was sich schon daran zeigt, dass 1000-mal kleinere Ströme als bisher einen Effekt auslösten. „Mit diesem Werkzeug und den Methoden der Kollegen aus den USA können wir viel präziser erforschen, wie Neuronen kommunizieren“, sagte Brecht. Bisher zeigt sein Experiment an Ratten nur, dass die Aktivität einer Nervenzelle für die Tiere spürbar ist. Aber wie die Informationscodierung abläuft, ist noch völlig unbekannt. Deshalb möchte der Professor von der Humboldt-Universität auch noch nicht darüber spekulieren, wann es möglich sein könnte, durch Stimulation einzelner Nervenzellen nahezu perfekt arbeitende Prothesen zu programmieren oder Blinden das Augenlicht wiederzugeben.

„Erst einmal wollen wir die Sprache der Neuronen verstehen“, sagte Brecht. Im Bereich des motorischen Kortex weiß man bereits einiges darüber, wie Nervenzellen Bewegungsanweisungen verschlüsseln. „Das wollen wir jetzt auch für Neuronen im sensorischen Kortex wissen, der für die Verarbeitung der Sinnesempfindungen zuständig ist.“

Dagny Lüdemann