Neurone mit Taktgefühl

Knapp ein Jahr lang hatte Stefanie Liebe ihre Rhesus-​Affen trainiert, nun endlich waren die Tiere so weit, dass sie ihr Experiment starten konnte. Gleich die ersten Ergebnisse ließen sie aufhorchen. „Da brauchte es keine statistischen Auswertung, die synchrone Oszillation war schon in den Rohdaten sehr deutlich zu sehen“, erinnert sich die Neurobiologin. „Das fand ich extrem cool.“

Wenn Forscher Prozesse untersuchen, an denen mehrere Hirnareale beteiligt sind, dann finden sie oft – so wie Stefanie Liebe in ihrer Studie aus dem Jahr 2012 – synchrone Oszillationen, also gleichgeschaltete Aktivitäten ganzer Neuronenverbände, die in identischen Frequenzen feuern. Inzwischen vermuten viele Wissenschaftler, dass solche wiederkehrenden elektrischen Muster sehr wichtig sind für komplexe kognitive Leistungen. Indem sie diese analysieren, hoffen sie, besser zu verstehen, wie das Gehirn arbeitet.

Stefanie Liebe wollte für ihre Doktorarbeit am Max-​Planck-​Institut für Biologische Kybernetik in Tübingen herausfinden, wie beim Kurzzeitgedächtnis verschiedene Hirnareale zusammenarbeiten. Dafür brachte sie Affen bei, auf einem Monitor Bilder anzuschauen. Die Tiere lernten, dass sie einen Hebel drücken müssen, sobald ein Bild zu sehen war. Danach war der Monitor kurz schwarz, dann kam wieder ein Bild. Nun mussten die Affen entscheiden, ob dieses Bild dem ersten gleicht. Wenn etwa zuerst ein Schmetterling zu sehen war, dann waren die Affen darauf trainiert, erst dann den Hebel loszulassen, wenn erneut ein Schmetterlingsbild erschien.

Die Forscherin interessierte nun, was im Affengehirn passiert, wenn zwischen den beiden Bildern, etwa 30 bis 50 Millisekunden lang, nur Schwarzbild zu sehen war. Denn das war die Phase, in der sich die Tiere an das Gesehene erinnerten. Mit winzigen Elektroden maß sie die elektrische Spannung einzelner Zellen im Ruhezustand sowie deren Veränderung nach dem Eingang von Impulsen über die Synapsen der Zellen, das postsynaptische Potenzial.

Dabei konzentrierte sie sich auf zwei Bereiche der Großhirnrinde: einen Bereich im präfrontalen Cortex, der für das Kurzzeitgedächtnis wesentlich ist, sowie ein Abschnitt im visuellen Cortex im hinteren Bereich des Hirns, der die Sehinformationen verarbeitet. Diese beiden Areale sind aktiv, wenn sich der Affe an ein Schmetterlingsbild erinnert – und in irgendeiner Form müssen sie miteinander kommunizieren.

Und tatsächlich: Die gemessene Spannung im visuellen Cortex begann in einem bestimmten Muster zu schwingen. Und genau in demselben Muster oszillierte auch der Bereich des Kurzzeitgedächtnisses. Die beiden Hirnareale hatten also über die Entfernung hinweg einen gemeinsamen Rhythmus gefunden, sie schwangen sozusagen im Takt. Eine solche synchrone Oszillation trat nur dann auf, wenn sich die Affen tatsächlich erinnern konnten. Gelang ihnen das nicht, dann war auch keine Synchronizität in den „Schwingungen“ zu sehen.

Schon seit den ersten Elektroenzephalogrammen (EEG) wissen die Mediziner, dass die elektrischen Impulse im Gehirn ständig in rhythmischen Mustern auftreten, die sich etwa im Schlaf– und Wachzustand, aber auch bei bestimmten Wahrnehmungsprozessen im Gehirn deutlich unterscheiden. Ein EEG macht dies in einer regelmäßigen Abfolge von Zickzacklinien deutlich. Es misst dafür die elektrische Aktivität im Gehirn – über Elektroden auf dem Kopf. Das Gerät gibt die Spannungsveränderungen in Form vieler simultaner Wellenlinien aus. Weil die Elektroden recht weit von den eigentlich aktiven Hirnarealen entfernt sind, kann jedes Signal nur eine sehr grobe Annäherung daran sein, was tatsächlich unter Kopfhaut und Schädeldecke passiert. Dennoch zeigen sich im EEG ähnliche Ausschläge bei entfernt voneinanderliegenden Arealen der Hirnrinde.

Inzwischen konnten mit Messungen direkt im Gehirn zahlreiche Oszillationen neuronalen Netzwerken zugeordnet werden. In den letzten Jahrzehnten haben Forscher Theorien entwickelt, um das Phänomen der gemeinsamen Frequenzveränderungen zu erklären.

Stefanie Liebe vermutet, dass die synchrone Oszillation, die sie gemessen hat, den Informationsaustausch zwischen Hirnarealen verbessert. „Man kann sich das vorstellen, als würde durch die gleichgetaktete Schwingung in beiden Bereichen eine Drehtür beginnen, sich zu drehen“, sagt die Forscherin. „Dadurch können Signale besser hin– und hergeschickt werden.“ Ein neuronales Netzwerke schwingt also im gleichen Takt wie ein anderes, damit es, glaubt Stefanie Liebe, besonders sensibel für dessen Informationen ist.

Einige Forscher gehen noch einen Schritt weiter. Sie glauben, dass synchrone Oszillationen nicht nur für einen effektiven Informationsfluss wichtig sind, sondern dass sie komplexere kognitive Leistungen erst ermöglichen. Der Neurobiologe Wolf Singer vom Max-​Planck-​Institut für Hirnforschung in Frankfurt hat bereits in den 1980er Jahren bei Katzen synchrone Oszillationen gemessen. Sogleich vermutete er, dass damit ein grundsätzliches Rätsel gelöst werden könne, das Hirnforscher beschäftigt: das so genannte Bindungsproblem.

Man weiß schon lange, dass Sinneseindrücke im Gehirn zerstückelt werden. Wenn ein Mensch etwa einen roten Ball vorbeifliegen sieht, dann werden im visuellen Cortex mehrere kleine neuronale Netzwerke aktiv. Ein Areal signalisiert „etwas Rotes“, ein anderes „etwas Rundes“ und ein drittes „Bewegung von rechts nach links“. Bewusst werden dem Menschen diese Teileindrücke aber nicht, er nimmt lediglich die Gesamtheit wahr, also den roten vorbeifliegenden Ball. Doch wie verbindet das Gehirn diese zerstückelten Informationen zu einem Gesamtbild? Diese Frage fassen die Forscher mit dem Begriff Bindungsproblem zusammen.

Oft ist die Bindungsproblematik nicht auf einen Sinn, etwa das Auge, beschränkt. Wolf Singer wählt dafür gern das Beispiel des bellenden Hundes, den man streichelt. Dabei sind sehr viele Areale des Sehsystems aktiv: Größe, Farbe, Bewegung des Tiers werden analysiert. Zudem kommen von der streichelnden Hand Informationen über die Beschaffenheit des Fells im Hirn an. Diese werden in den Arealen des Tastsinns verarbeitet. Weil der Hund bellt, beschäftigt sich außerdem der auditive Cortex mit dem Höreindruck.

Der Hundestreichler muss zudem das Verhalten des Hundes bewerten, denn das Tier könnte ja aggressiv werden. Deshalb ist auch das limbische System aktiv, das für die Verarbeitung von Emotionen zuständig ist. So entsteht dann etwa der Gesamteindruck: Das ist ein Collie mit langem, rotbraunem und sehr weichem Fell, der zwar etwas laut bellt, aber eigentlich harmlos ist. Alle Informationen werden also miteinander verbunden und dem Hund zugeordnet.

Als Lösung für das Bindungsproblem wurde zunächst diskutiert, ob es vielleicht im Gehirn einen Bereich gibt, der ausschließlich für die bewusste Wahrnehmung zuständig ist. Dort könnte es dann zum Beispiel eine Nervenzelle geben, die nur dann feuert, wenn der Collie mit dem weichen Fell bellt. Trotz intensiver Suche konnte aber ein solcher Hirnbereich, der sozusagen das Bewusstsein repräsentieren würde, bisher nicht gefunden werden. Zudem hat die Theorie noch einen weiteren Haken. „Wenn es für jede denkbare Situation eine eigene Zelle gäbe, dann entstünde eine kombinatorische Explosion“, sagt Wolf Singer. Es gibt zwar eine sehr große Zahl an Nervenzellen. Dem steht aber eine sehr große Zahl an möglichen Sinneseindrücken gegenüber, und für jede Kombination aus diesen Eindrücken müsste es mindestens eine Zelle geben. Das ist selbst mit Milliarden von Hirnzellen nicht machbar.

Wie aber könnte sonst das Bindungsproblem gelöst werden? Als Wolf Singer vor knapp 30 Jahren synchrone Oszillationen in Katzenhirnen gemessen hatte, kam er auf eine Idee. Was, wenn es nicht wesentlich ist, wo im Gehirn etwas stattfindet, sondern wann? Die Informationen „weiches Fell“, „lautes Gebell“ und „rotbrauner Hund“ werden gleichzeitig wahrgenommen. Ein für die Situation spezifisches Muster an Hirnarealen ist aktiv und steht in einem zeitlichen Zusammenhang. Möglicherweise ist es also diese Gleichzeitigkeit, die für den Gesamteindruck vom bellenden Collie verantwortlich ist. „Die Informationen werden einheitlich wahrgenommen. Wo? Nirgendwo! Die Aktivität bleibt im Gehirn verteilt“, sagt Wolf Singer. „Heute vermuten die meisten Hirnforscher: Das System weicht in die Zeit aus als Kodierungsraum.“

Damit das funktionieren kann, muss das Gehirn extrem sensibel für zeitliche Zusammenhänge sein. Es braucht also eine sehr präzise Uhr. Und diese Uhr, vermuten die Wissenschaftler, schafft sich das Hirn durch rhythmische Schwingungen selbst. „Sie können sich die synchronen Oszillationen wie die Pendelschläge einer Wanduhr vorstellen“, erklärt Wolf Singer seine Theorie. „Sie liefern den Takt, damit das Gehirn zeitliche Zusammenhänge definieren kann.“

Unsere bewusste Wahrnehmung entsteht also möglicherweise nicht in einem bestimmten Hirnbereich, sondern sie ist mit Hilfe von Oszillationen zeitlich kodiert. Vielleicht gilt das auch für alle anderen bewussten Denkprozesse. Sie als Leser dieser Zeilen fühlen sich in diesem Augenblick angesprochen. Und dieser Gedanke lässt sich – folgt man der Theorie – nicht an einem Ort in Ihrem Gehirn lokalisieren. Er entsteht allein dadurch, dass ein bestimmtes Muster von Hirnarealen gleichzeitig aktiv ist. Schwer vorstellbar, aber viele Forschungsergebnisse sprechen für die Theorie der zeitlichen Korrelation des Bewusstseins.

Ein mögliches Beispiel dafür, was passiert, wenn uns dies nicht mehr gelingt, zeigt sich nach Ansicht des Forschers bei schizophrenen Menschen. Wolf Singers Forschungsgruppe hat mit Magnetoenzephalografen (MEGs) Hirnaktivitäten verglichen. Bei gesunden Menschen konnten die Wissenschaftler eine starke Zunahme von hochfrequenten Schwingungen feststellen, wenn sie ihren Probanden spezielle Bilder zeigten. Bei schizophrenen Patienten war die Zunahme deutlich geringer, zudem konnte kaum Synchronizität zwischen verschiedenen Hirnarealen gemessen werden. Schizophrene Gehirne können also nicht so gut zeitliche Zusammenhänge herstellen. Ein wesentliches Symptom dieser Krankheit ist, dass die Patienten fragmentierte Gedanken haben, sie nehmen Dinge getrennt wahr, die eigentlich zusammengehören. Diese verzerrte Wahrnehmung könnte mit einem falschen Takt im Gehirn zusammenhängen.

zum Weiterlesen:

• Liebe S. et al: Theta coupling between V4 and prefrontal cortex predicts visual short-​term memory performance. Nature Neuroscience. 2012; 15(3):456 — 462 (zum Abstract).
• Singer, W.: Binding by synchrony. Scholarpedia. 2(12):1657 (zum Text).
• Uhlhaas PJ, Singer W: Abnormal neural oscillations and synchrony in schizophrenia. Nature Reviews Neuroscience. 2010; 11(2):100 — 113 (zum Abstract).

Veröffentlichung: am 12.04.2012
Aktualisierung: am 02.02.2018