John Eccles – Über den Spalt hinweg

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John Eccles - Über den Spalt hinweg

Erst als er bereit ist, seine seit Jahrzehnten vertretene Theorie über den Haufen zu werfen, gelingt dem Neurowissenschaftler John Eccles der entscheidende Durchbruch. Für seine Forschungen zur synaptischen Übertragung bekommt er den Nobelpreis.

Wissenschaftliche Betreuung: Fabio De Sio

Veröffentlicht: 06.06.2013

Das Wichtigste in Kürze
  • John Eccles konnte mit Messungen innerhalb der Nervenzelle zeigen, dass Informationen auf chemischem Weg von Neuron zu Neuron gelangen
  • Er fand heraus, dass es neben erregenden postsynaptischen Potenzialen auch hemmende gibt.
  • Für seine Forschung zur synaptischen Übertragung erhielt Eccles gemeinsam mit den britischen Physiologen Alan Hodgkin und Andrew Huxley 1963 den Medizin-Nobelpreis.
  • In der Frage, wie Gehirn und Geist zusammenhängen, vertrat er zusammen mit dem Philosophen Karl Popper einen bis heute umstrittenen interaktionistischen Dualismus.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Lebensdaten Von John Eccles

27. Januar 1903: John Eccles wird in Melbourne, Australien, geboren

1925: Abschluss des Medizin-Studiums an der Melbourne University

1925 – 1937: Studium und Forschung an der University of Oxford

1937 – 1943: Forschung in Sydney

1944 – 1951: Professur an der University of Otago in Neuseeland

1952 – 1966: Professur an der Australian National University in Canberra

1963: John Eccles erhält zusammen mit Alan Hodgkin und Andrew Huxley den Medizin-Nobelpreis

Von 1966 an: Forschung in den USA in Chicago und New York

1997: John Eccles stirbt in Locarno in der Schweiz

2007: Die Australian National University gründet das Eccles Institute of Neuroscience

Die wahre Größe eines Forschers zeigt sich auch daran, dass er in der Lage ist, einen Irrtum einzusehen und zu korrigieren. Dem australischen Neurophysiologen John Eccles ist genau das gelungen: Jahrelang vertritt er leidenschaftlich eine Theorie, wie die Kommunikation zwischen Nervenzellen funktioniert. Doch dann widerlegt er mit Experimenten seine eigenen Thesen – und bekommt dafür den Medizin-​Nobelpreis.

Mitte der 1940er Jahre ist Eccles verzweifelt, denn seine wissenschaftliche Theorie ist ins Wanken geraten. Er ist überzeugt: Nervenzellen kommunizieren rein elektrisch miteinander. Im Zellinneren von Neuronen, das ist schon damals bekannt, erfolgt die Informationsverarbeitung aufgrund von Spannungsänderungen. So ist es für John Eccles sehr schlüssig, dass auch an den Kontaktstellen zwischen zwei Zellen, den Synapsen, der Strom eine entscheidende Rolle spielt. Seine Idee: Feuert ein Neuron ein Aktionspotenzial, dann kommt dieses elektrische Signal an der Synapse an. Dort gibt es den synaptischen Spalt, also eine Lücke zur nachgeschalteten Nervenzelle. Über diesen Spalt hinweg, so die Vorstellung von John Eccles, fließt auch Strom. Auf diese Weise gelangt das elektrische Signal in die nächste Zelle. So einleuchtend diese Theorie auch klingt: Die Forschungsergebnisse wollen sie partout nicht bestätigen. Vielmehr verdichten sich die Anzeichen dafür, dass Botenstoffe in den Synapsen wesentlich sind, dass also die Signalübertragung zwischen Nervenzellen nicht elektrisch, sondern chemisch erfolgt. Bereits 1936 erhielten Henry Dale und Otto Loewi den Nobelpreis für ihre Entdeckung, dass Nerven Muskeln reizen, indem sie die Chemikalie Acetylcholin ausschütten.

Eccles aber glaubt, die Übertragung zwischen Nervenzellen im Gehirn und im Rückenmark sei viel zu schnell, als dass sie ebenfalls chemischer Natur sein könne. Der Streit zwischen den Anhängern der elektrischen und der chemischen Übertragung wird in diesen Jahren immer erbitterter ausgetragen. Einmal, auf einer Konferenz in Cambridge, kommt es sogar fast zu einer Schlägerei zwischen Eccles und Henry Dale, einem Mitglied der gegnerischen Seite. Doch immer mehr Experimente passen zu der Theorie der Eccles-​Widersacher. Der eigentlich tatkräftige Mann verliert nach und nach den Mut. Er wähnt sich auf der Seite der Verlierer. Das beschreibt Eric Kandel in seinem Buch „Auf der Suche nach dem Gedächtnis“ sehr eindringlich. Kandel, ebenfalls Nobelpreisträger, hatte Eccles in den 1960er Jahren kennen gelernt und von ihm erfahren, wie schlecht es ihm 20 Jahre zuvor gegangen war und was ihm aus dem Tief herausgeholfen hat.

Der Wendepunkt kommt, als Eccles 1946 Karl Popper begegnet. Der einflussreiche Philosoph und Wissenschaftstheoretiker war kurz vor dem Anschluss seines Heimatlandes Österreich an Nazideutschland nach Neuseeland emigriert. Dort, an der University of Dunedin, lehrte und forschte seit 1944 auch Eccles; die beiden lernen sich im Klub der Universitätsdozenten kennen. Der Philosoph vermittelt dem Neurophysiologen eine ganz neue Sicht. Niemand bezweifle seine Forschungsergebnisse. Alleine die von ihm vertretenen Interpretationen dieser Ergebnisse seien umstritten. Der größte Vorzug der wissenschaftlichen Methode sei aber letztlich ihre Fähigkeit, eine Hypothese zu widerlegen. Eine Hypothese endgültig zu bestätigen, sei hingegen gar nicht möglich. Um gegensätzliche Annahmen miteinander konfrontieren zu können, müssten die Fakten eindeutig und ihre widerstreitenden Interpretationen in aller Schärfe formuliert sein. Über Popper schrieb Eccles später: „Er lehrte mich sogar, mich über die Widerlegung einer liebgewonnenen Hypothese zu freuen, weil auch das ein wissenschaftlicher Fortschritt sei und weil sich aus der Widerlegung viel lernen lasse.“

Eccles macht sich im Sinne Poppers daran, seine elektrische Hypothese klar zu formulieren und rigorose Experimente zu ihrer Überprüfung durchzuführen. Der 20. August 1951 im Labor der University of Otago im neuseeländischen Dunedin soll die endgültige Entscheidung bringen, ob Eccles‘ Annahme stimmt. Er und seine Kollegen machen sich daran, zum ersten Mal überhaupt innerhalb einer Zelle des Zentralen Nervensystems ein elektrisches Potenzial zu messen. Sie stechen eine neu entwickelte Glas-​Mikroelektrode in eine motorische Nervenzelle im Rückenmark einer betäubten Katze.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Synapse

Synapse/-/synapse

Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei Neuronen und dient deren Kommunikation. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich – dem Endknöpfchen des Senderneurons – und einem postsynaptischen Bereich – dem Bereich des Empfängerneurons mit seinen Rezeptoren. Dazwischen liegt der sogenannte synaptische Spalt.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Synapse

Synapse/-/synapse

Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei Neuronen und dient deren Kommunikation. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich – dem Endknöpfchen des Senderneurons – und einem postsynaptischen Bereich – dem Bereich des Empfängerneurons mit seinen Rezeptoren. Dazwischen liegt der sogenannte synaptische Spalt.

Acetylcholin

Acetylcholin/-/acetylcholine

Acetylcholin ist einer der wichtigsten Neurotransmitter, also der Botenstoffe im Gehirn. Es ist unter anderem verantwortlich für die Muskelkontraktion, da es die Übertragung zwischen Nerv und Muskel an den sogenannten neuromuskulären Endplatten vermittelt. Es war der erste der chemischen Botenstoffe, der entdeckt wurde – 1921, am Herzen eines Frosches durch Otto Loewi.

Rückenmark

Rückenmark/Medulla spinalis/spinal cord

Das Rückenmark ist der Teil des zentralen Nervensystems, das in der Wirbelsäule liegt. Es verfügt sowohl über die weiße Substanz der Nervenfasern, als auch über die graue Substanz der Zellkerne. Einfache Reflexe wie der Kniesehnenreflex werden bereits hier verarbeitet, da sensorische und motorische Neuronen direkt verschaltet sind. Das Rückenmark wird in Zervikal-​, Thorakal-​, Lumbal und Sakralmark unterteilt.

Die Forscher sind fassungslos

Nach Eccles mittlerweile streng formulierter Hypothese müsste das Membranpotenzial in der Nervenzelle eigentlich kurzfristig positiv ausfallen. Doch zur Überraschung der Forscher erweist es sich als negativ. „Wir waren kurzzeitig fassungslos“, schrieb Eccles später. Als sie sich von dem Schock in den frühen Morgenstunden etwas erholten, habe die Entscheidung festgestanden. Die synaptische Hemmung wird chemisch vermittelt. Eccles ist bekehrt und vertritt fortan das Gegenteil seiner bisherigen Theorie – ebenso vehement.

Alleine diese Erkenntnis hätte ihn in den Neurowissenschaften unsterblich gemacht. Doch seine mehr als 500 Veröffentlichungen enthielten noch so manche Perle. Auch dank der Forschung des australischen Neurophysiologen wissen wir heute: Feuert eine Nervenzelle, schüttet sie Botenstoffe wie Acetylcholin aus, die in den synaptischen Spalt gelangen und an die Rezeptoren der Nachbarzelle binden. Dadurch öffnen sich dort Kanäle der Zellmembran und Ionen strömen ins Zellinnere oder aus diesem heraus. Dadurch ändert sich die Spannung auch in der nachgeschalteten Zelle, so wird das Signal übertragen.

Ein einzelnes Potenzial an einer Synapse hat dabei wenig Einfluss darauf, ob ein Aktionspotenzial ausgelöst wird, also ein Neuron feuert. Es gibt zwei verschiedene Sorten von Synapsen, erregende und hemmende. Kommt ein erregendes Potenzial in einer Zelle an, so erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Viele solcher Impulse können sich aufaddieren und ein Aktionspotenzial auslösen. Ein hemmendes Potenzial senkt hingegen die Wahrscheinlichkeit, dass das Neuron feuert.

Für seine Entdeckungen zur synaptischen Übertragung erhielt Eccles 1963 den Nobelpreis für Medizin oder Physiologie. Er teilte ihn sich mit den britischen Physiologen Alan Lloyd Hodgkin und Andrew Fielding Huxley. Forscherkollegen erklären seinen Erfolg mit Eccles‘ bemerkenswertem Talent und seiner großen Motivation und Ausdauer. Seine Energie und sein Hunger nach neuen Erkenntnissen seien überwältigend gewesen. Als Teamleiter galt er als fordernd, erwartete von jedem Mitglied, sich in kollegialer Weise voll einzubringen.

Membranpotenzial

Membranpotenzial/-/membrane potential

Das Membranpotenzial ist eine Spannung, die zwischen der Innen– und Außenseite der Zellmembran gemessen wird. Sie entsteht durch die unterschiedliche Verteilung elektrisch geladener Teilchen im Zellinneren und –äußeren.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Hemmung

Hemmung/-/inhibition

Die neuronale Inhibition, oder auch Hemmung umschreibt das Phänomen, dass ein Senderneuron einen Impuls zum Empfängerneuron sendet, der bei diesem dazu führt, dass seine Aktivität herabgesetzt wird. Der wichtigste hemmende Botenstoff ist GABA.

Acetylcholin

Acetylcholin/-/acetylcholine

Acetylcholin ist einer der wichtigsten Neurotransmitter, also der Botenstoffe im Gehirn. Es ist unter anderem verantwortlich für die Muskelkontraktion, da es die Übertragung zwischen Nerv und Muskel an den sogenannten neuromuskulären Endplatten vermittelt. Es war der erste der chemischen Botenstoffe, der entdeckt wurde – 1921, am Herzen eines Frosches durch Otto Loewi.

Rezeptor

Rezeptor/-/receptor

Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.

Synapse

Synapse/-/synapse

Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei Neuronen und dient deren Kommunikation. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich – dem Endknöpfchen des Senderneurons – und einem postsynaptischen Bereich – dem Bereich des Empfängerneurons mit seinen Rezeptoren. Dazwischen liegt der sogenannte synaptische Spalt.

Aktionspotenzial

Aktionspotenzial/-/action potential

In erregbaren Zellen (z. B. Neuronen oder Muskelzellen) findet man sehr schnelle Änderungen des elektrischen Potenzials über der Zellmembran. Dieses Ereignis ist die Grundlage für die Informationsleitung entlang des Axons der Nervenzelle. Das Aktionspotenzial setzt sich entlang der Zellmembran fort und entsteht nach dem Alles-​oder-​Nichts-​Prinzip nur dann, wenn die Zelle ausreichend stark erregt wurde.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Motivation

Motivation/-/motivation

Ein Motiv ist ein Beweggrund. Wird dieser wirksam, spürt das Lebewesen Motivation – es strebt danach, sein Bedürfnis zu befriedigen. Zum Beispiel nach Nahrung, Schutz oder Fortpflanzung.

Prägende Erlebnisse in jungen Jahren

John Carew Eccles wurde am 27. Januar 1903 in Melbourne als Sohn eines Lehrerehepaars geboren. Sein wissenschaftliches Interesse zeigte sich schon früh. In seinem Buch „Das Ich und sein Gehirn“ erinnerte sich Eccles, wie er mit 18 Jahren von einem Gefühl der Einzigartigkeit befallen wurde. Er staunte über sein eigenes Gehirn und dessen Fähigkeit, Gedanken und Gefühle hervorzubringen. Für Eccles war diese Erfahrung der Ausgangspunkt einer lebenslangen Suche nach Erklärung dieser menschlichen Fähigkeiten.

In seinem Medizinstudium begann er, grundlegende Bücher wie Darwins „Über die Entstehung der Arten“ zu lesen, auch philosophische Werke fesselten ihn. Doch auch damit gelang es ihm nicht, eine Frage zu beantworten, die ihn zeitlebens umtrieb: Wie hängen das materielle Gehirn und der spirituelle Geist zusammen? Es ging ihm also um das Leib-​Seele-​Problem, für das er keine Lösung fand. Außerdem ging ihm auf, wie wenig man über das Gehirn selbst wusste. Daher entschied sich Eccles als Medizinstudent, Neurowissenschaftler zu werden.

Ähnlich einschneidend war die Lektüre des Buchs „The Integrative Action of the Nervous System“ des späteren Nobelpreisträgers für Medizin oder Physiologie Charles Scott Sherrington. Eccles suchte sich ganz gezielt Oxford als Startpunkt seiner wissenschaftlichen Karriere aus, wo sein großes Vorbild Sherrington tätig war. Er forschte dort von 1927 bis 1931 – phasenweise mit diesem persönlich – zur Signalübertragung über den synaptischen Spalt.

John Eccles als Philosoph

Sein philosophisches und wissenschaftliches Interesse am Verhältnis von Gehirn und Geist ließ ihn nicht los. Sein Problem: Er selbst glaubte an einen immateriellen Geist, an ein Selbst, das unabhängig vom materiellen Gehirn existiert. In naturwissenschaftlichen Kreisen herrschte damals wie auch heute jedoch die Haltung vor, dass mentale Vorgänge letztlich nichts anderes seien als materielle Vorgänge im Gehirn. Auch hier ist es wieder Karl Popper, der Eccles weiterhilft. Popper lehrte, die Welt in drei Bereiche zu unterteilen: die physische Welt inklusive des Gehirns, die Welt des Bewusstseins und die Welt der kulturellen Gegenstände wie etwa wissenschaftliche Theorien. Diese drei Bereiche seien zwar unabhängig voneinander, könnten aber kausal auf einander einwirken. Auf dieser Grundlage entwickelten Popper und Eccles in ihrem Buch „Das Ich und sein Gehirn“ eine Variante des so genannten interaktionistischen Dualismus. Der immaterielle Geist sollte unabhängig vom Gehirn existieren, mit diesem aber interagieren.

Nun schien es aber dem Energieerhaltungssatz zu widersprechen, wenn ein immaterieller Geist quasi aus dem Nichts heraus auf die physikalische Wirklichkeit einwirkt. In seinem letzten Buch „Wie das Selbst sein Gehirn steuert“ versucht Eccles mit Hilfe des Quantenphysikers Friedrich Beck diesem Problem zu begegnen. Bei willentlichen Handlungen etwa, so argumentiert Eccles, erhöhen so genannte Psychone, kleinste mentale Einheiten, quantenphysikalisch die Wahrscheinlichkeit des Feuerns einzelner Neurone.

Sofern sie sich überhaupt damit auseinandersetzen, lehnen Neurowissenschaftler und Philosophen Eccles’ Theorie heutzutage ab. Man betrachtet sie im Allgemeinen als ein Beispiel dafür, wie sehr bisweilen das Denken von Hirnforschern von religiösen Überzeugungen geprägt ist. Tatsächlich war Eccles ein gläubiger und spiritueller Mensch, der an eine göttliche Vorsehung glaubte. Auf der Grundlage seiner Idee eines immateriellen Geistes hoffte Eccles auch auf ein Leben nach dem Tod. Im Jahr 1997 stirbt er – ob seine Seele in diesem Sinne weiterlebt, bleibt dem Glauben des Lesers überlassen. Sicher ist aber, dass sich Eccles mit seinen wissenschaftlichen Leistungen unsterblich gemacht hat.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Informationen zu John Eccles auf der offiziellen Website des Nobelpreises. Zur Webseite

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