Verzwickte Vernetzung

Was haben Kinderliebe, Häuslichkeit und Aberglaube miteinander gemein? All diese Charakterzüge brachte der deutsche Anatom Franz Joseph Gall (1758−1818) mit bestimmten Arealen der Hirnrinde und mit entsprechenden Vorwölbungen des Schädels in Verbindung. Lange dachte man, auf diese Weise mit einer Systematisierung des Äußeren auf das Innere schließen zu können. Im Laufe des 19. Jahrhunderts verlor die so genannte Phrenologie, die Schädellehre Galls, jedoch an Ansehen – sie war empirisch nicht zu belegen. Die Theorie geriet in Folge zu Recht in Misskredit. Mit ihr jedoch auch die grundlegende Idee, Mentales einzelnen Hirnregionen zuzuordnen.

Als die Hirnforschung im weiteren Verlauf des 19. und frühen 20. Jahrhunderts ungeahnte Fortschritte machte, stellte sich die Frage nach der Lokalisation geistiger Fähigkeiten erneut. Paul Broca (1824−1880) etwa entdeckte Zentren, die für die Sprache zuständig zu sein schienen, andere Forscher spezifische Regionen für Gedächtnis und Motorik. In den vergangenen Jahren nun rückten Hirnforscher mehr und mehr die Bedeutung von ganzen Neuronennetzwerken für mentale Leistungen in den Fokus. Wenn nun teils weit verteilte Neurone in Teamarbeit unser geistiges Leben ermöglichen, kann man dann noch sinnvoll von Orten mentaler Funktionen sprechen? Sind unsere mentalen Fertigkeiten lokal eingrenzbar — oder das Produkt von räumlich und zeitlich wechselnden Hirnnetzwerken?

„Die Wahrheit liegt wie so oft in der Mitte“, so Andreas Draguhn, Mediziner und Neurowissenschaftler an der Uni Heidelberg. „Läsionen einzelner Hirnregionen haben gezeigt, dass solche Schädigungen ganz spezifische geistige Funktionen in Mitleidenschaft ziehen können.“ Ein Schlaganfall etwa im Broca-​Areal im Frontallappen der linken Hirnhälfte sorgt für eine Aphasie, eine Störung der Sprache. „Es handelt sich hierbei aber nur um eine notwendige Bedingung dieser komplexen Leistung.“ Draguhn wählt den Vergleich mit einem defekten Auto: „Wenn ein entscheidendes Zahnrad in der Gangschaltung kaputt ist, dann ist dieses Zahnrad zwar eine notwendige Bedingung für das Funktionieren der Gangschaltung.“ Das bedeute aber nicht, dass das Zahnrad die ganze Funktion der Gangschaltung ausmacht.

So ähnlich wirken auch im Gehirn ganze Netzwerke von Neuronen an geistigen Leistungen mit – etwa am Sehen. Hier sind mehrere Gebiete im Gehirn beteiligt. Bereits die Retina im Auge nimmt erste Verarbeitungen vor. Dann wird der Laterale Kniehöcker aktiv, später der visuelle Cortex im Hinterhauptslappen. Von dort verteilt sich die Aktivität zum einen in den Scheitellappen und zum anderen in den Schläfenlappen. Diese breit gestreuten Netzwerke müssen alle gemeinsam aktiv sein, um das Sehen einer Szene zu ermöglichen. Fällt eines aus, funktioniert das ganze Ensemble nicht mehr korrekt.

Die Idee des Netzwerks und der Vernetzung lässt auch eine andere philosophische Frage in einem neuen Licht erscheinen. Ergibt sich die Funktion des Gehirns und seiner Teile rein aus seiner Struktur? Neurowissenschaftler aus der ganzen Welt sind gerade dabei, eine Art Schaltplan des Gehirns anzufertigen, das so genannte „Konnektom“. Alle Nervenzellen und ihre Verknüpfungen untereinander sollen auf dieser dreidimensionalen Karte im Optimalfall verzeichnet werden – geschätzte mehr als 80 Milliarden Nervenzellen mit jeweils rund eintausend Verbindungen. Man erhofft sich, über diese Nachbildung Aufschluss über die Funktionen der Nervenzellen zu gewinnen.

Doch nicht jedem Experten leuchtet diese Logik ein. „Ich bezweifle, dass das Konnektom uns wirklich über die neuronalen Berechnungen des Gehirns informieren wird“, sagt etwa der Neurowissenschaftler Anthony Movshon von der New York University. Auch die Architektur eines Computers beispielsweise könne man bis ins feinste Detail untersuchen. „Das verrät mir, welche Arten von Berechnungen er prinzipiell durchführen kann, aber nicht, welche er tatsächlich durchführt.“ Auch das Konnektom verrate lediglich, was zwischen Nervenzellen grundsätzlich ablaufen könne. „Um die Funktion und die Berechnungen einer Nervenzelle wirklich zu verstehen, muss man aber ihre Aktivität messen.“

Andreas Draguhn zeichnet ein etwas anderes Bild. „Aus der Analyse von Hirnstrukturen lassen sich durchaus konkrete Funktionen ableiten“, sagt er. Er verweist auf so genannte Interneurone, die in vielen Hirngebieten über ihre stark verzweigten Fortsätze andere Nervenzellen erreichen und hemmen. Nur ganz stark aktivierte Neurone können die Hemmung durchbrechen. „Aus dieser Verschaltung kann man die Funktion ableiten, dass Interneurone etwa beim Sehen die Trennung von Hintergrund und Vordergrund einer visuellen Szene ermöglichen“, so Draguhn. Allerdings ließen sich nicht alle Funktionen unmittelbar aus der Struktur verstehen.

Das sieht man auch an den geistigen Fertigkeiten von bestimmten Krähenvögeln und Papageien. Sie sind kognitiv in vielen Bereichen den Menschenaffen ebenbürtig – Tierische Intelligenz. Sie können sich zum Beispiel mit Hilfe von Werkzeugen andere Werkzeuge basteln. „Und dennoch haben sie ein vollkommen anders aufgebautes und strukturiertes Gehirn als die Menschenaffen“, sagt Draguhn.

Angesichts der komplexen Netzwerkstruktur des Gehirns erscheint ein anderes Großprojekt der Neurowissenschaften wie ein unrealistischer Traum: das von der EU geförderte Human Brain Project. Auf Kritik stößt vor allem die Idee, das menschliche Gehirn mittels moderner Supercomputer vollständig zu simulieren und darüber die Entstehung von geistigen Funktionen zu verstehen. Auch Andreas Draguhn ist skeptisch. „Unser Wissen vom Gehirn weist enorme Lücken auf.“ Dies zeigt sich schon bei einem Tierchen, das nicht gerade durch geistige Höchstleitungen auffällt: dem Flusskrebs. Sein Magen wird durch ein so genanntes stomatogastrisches Ganglion gesteuert. Das besteht nur aus gut 20 Nervenzellen. Es gibt zwar sehr gute Computermodelle dieses kleinen Netzwerks. „Dennoch haben wir es immer noch nicht vollständig verstanden“, sagt Draguhn. „Und beim menschlichen Gehirn sind unsere Wissenslücken eben millionenfach größer.“ Aus der Vernetzung einzelner Neurone entstehen offenbar derart komplexe Eigenschaften, dass sogar aufwändige Computermodelle nur Teilaspekte widerspiegeln können.

Erschwerend kommt noch hinzu: Hirnforscher analysieren das Nervensystem auf verschiedenen Ebenen, etwa der einzelner Zellen oder der ganzer Neuronenverbände. Eine Idee der klassischen Physik besagt, dass sich das große Ganze aus dem Kleinen aufbaut. Nach dieser Vorstellung steigt man in der Erklärung von Ursachen und Wirkungen allmählich auf – von einzelnen Molekülen zu den Nervenzellen, weiter zum Gehirn als Ganzem bis hin zu unseren mentalen Fertigkeiten. Die Sache hat nur leider einen Haken: Wie der Sprung von einer Ebene zur anderen funktioniert, ist noch nicht lückenlos verstanden. Wie soll man dann erst in absehbarer Zeit das gesamte Gehirn auf einem Supercomputer simulieren?

Stichwort „Computer“: Wurde in früheren Zeiten – je nach Stand der damals vorhandenen Alltagstechnik – das Gehirn mal mit einem Uhrwerk, einer Dampfmaschine oder einer hydraulischen Pumpe verglichen, ist es heute der Computer. Hirnforscher sprechen etwa davon, dass das Gehirn wie ein Rechner Informationen verarbeite. Die Idee der „Information“ in Bezug auf das Gehirn hat durchaus seine Vorzüge. So können sich Hirnforscher beispielsweise fragen, wie viel räumliche Information im Hippocampus einer Ratte mit Hilfe der dort befindlichen Neurone gespeichert werden kann. „Mit einzelnen Neuronen kann man die Vielzahl der räumlichen Informationen, die hier abgelegt sind, nicht abbilden“, sagt Andreas Draguhn. Mit der Kombination aus vielen Zellen hingegen schon. „Das lässt sich mit Hilfe der Informationstheorie mathematisch berechnen.“

Auch die Philosophin und Wissenschaftstheoretikerin Brigitte Falkenburg von der Technischen Universität Dortmund hält die informationstheoretische Betrachtung des Gehirns für nützlich: „Dieser Ansatz hat unter anderem dazu geführt, Wahrnehmung, Gedächtnis und Lernen bei Tier und Mensch in vieler Hinsicht zu verstehen“, sagt sie. Außerdem habe die informationstheoretische Entschlüsselung der Art und Weise, wie die Nervenzellen im Gehirn vernetzt sind und was sie dank ihrer Vernetzung leisten, zu technischen Entwicklungen geführt: Sie ermöglichte die Entwicklung von künstlichen neuronalen Netzen. Dies habe Hochleistungsrechner genauso ermöglicht wie den Einsatz von Industrierobotern in der Autofertigung oder autonom arbeitende Staubsauger im Privathaushalt.

Doch Falkenburg betont auch, dass man Modelle des Gehirns nicht mit der Wirklichkeit verwechseln dürfe. Bei ihnen handle es sich immer um Idealisierungen, die manches von der Wirklichkeit ganz gut erfassen – und anderes gar nicht. „Das Gehirn ist kein Computer, sondern ein lebendiges, überaus komplexes Organ, das sich durch Lernprozesse dauernd selbst umgestaltet.“ Es bestehe nicht aus starren, gleichartigen Bauteilen.

Und eines sollte man sich ebenfalls vor Augen führen: „Die Information, die ein Computer verarbeitet, ist nicht dasselbe wie die Information, die Gegenstand unserer kognitiven Leistungen ist, und die wir verstehen“, sagt Falkenburg. In Computern ist Information binär, durch zwei Elemente, kodiert. Es gibt die beiden physikalischen Schaltzustände „Strom an“ und „Strom aus“, die den Symbolen „1“ und „0“ entsprechen. „Doch das ist etwas völlig anderes als die Information, die ich gewinne, wenn ich zum Beispiel ein Buch lese, einen Vortrag höre oder eine Fahrplanauskunft einhole“, sagt Brigitte Falkenburg. Hierbei komme das Verstehen von Bedeutungen ins Spiel. „Und was das eigentlich ist, kann uns kein Informationstheoretiker sagen.“

zum Weiterlesen:

• Falkenburg, Brigitte: Mythos Determinismus. Wieviel erklärt uns die Hirnforschung? Berlin/​Heidelberg, Springer (2012)
• Janich, Peter: Kein neues Menschenbild. Zur Sprache der Hirnforschung. Frankfurt am Main, Suhrkamp (2009)
• Seung, Sebastian: Das Konnektom. Erklärt der Schaltplan des Gehirns unser Ich? Berlin/​Heidelberg, Springer Spektrum (2013)