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Offene Fragen im Netzwerk

Netzwerke lassen sich in der Theorie überzeugend beschreiben, doch das hochkomplexe System Gehirn stellt uns in der Vielfältigkeit seiner Strukturen vor zusätzliche und teils eher ungewöhnliche Fragen.

© Jeff Lichtman


Was ein Netzwerk ist, weiß jeder. Wir denken an Spinnennetze, Straßennetze, Telefonnetze, das Internet. Wir können uns vorstellen, dass manche Verbindungen kritisch sind für die Funktion, dass manche Ecken mehr Kontakte erhalten, andere weitab vom Schuss liegen und dass all das ziemlich groß und komplex ist. Allein der Begriff „Netzwerk“ ist so gebräuchlich, dass wir die vielen offenen Fragen drum herum oft vergessen.

Das gilt besonders für das Gehirn, dessen Faserverbindungen vielfach gewunden und ineinander verwoben sind, oft redundant und in vorwärts und rückwärts gerichteten Schleifen. Es muss eine gehörige Portion Motivation mitbringen, wer die Netzwerke des Gehirns erforschen will. Und ausgefuchste Methoden. Wie gesagt: An Fragen mangelt es nicht. Hier gehen wir einigen von ihnen auf den Grund.

Das Wichtigste in Kürze

  • Laut Ramón y Cajal folgt die Dendritenbildung drei Gesetzen und strebt nach Materialerhaltung, kurzen Pfaden und der Erhaltung von Raum.
  • Ein größeres Gehirn scheitert beim Menschen am Geburtskanal der Mutter. Es würde aber auch nicht zwangsläufig zu mehr Intelligenz führen.
  • Kohärente Feuerungsraten werden durch Interneurone moduliert. Diese haben einen hohen Energieverbrauch.
  • Die Ursachen von Synästhesie sind noch nicht geklärt, möglicherweise sind Fehlverschaltungen von Arealen verantwortlich.
  • Alle drei Arten von Gliazellen haben maßgeblichen Anteil an den Netzwerken der Neurone.

Ist ein größeres Gehirn automatisch ein besseres Gehirn?

Manche dieser Fragen sind grundsätzlicher Natur und durchaus schon älter. So hat sich bereits der Mediziner und Pionier der Neurologie, Santiago Ramón y Cajal, vor über 100 Jahren gefragt, nach welchen Prinzipien sich die Neurone – die er selbst gerade als grundlegende Einheiten entdeckt hatte – vernetzen (Kampf um die Neuronendoktrin). Theoretisch gäbe es hier zwei gegensätzliche Möglichkeiten: Würde das einzelne Neuron möglichst viele, fein verästelte Arme ausbilden, könnte es viele andere Nervenzellen erreichen und sehr schnell mit ihnen in Kontakt treten. Doch diese kurzen Wege würden nicht nur Material kosten, sondern auch jede Menge Platz. Bildeten die Neurone hingegen nur sehr wenige Äste, diese dafür lang und weiträumig, würde dies vermutlich Zeit kosten. Laut Ramón y Cajal aber folgt die Dendritenbildung drei Gesetzen: Sie strebt nach Materialerhaltung, kurzen Pfaden und der Erhaltung von Raum. Es muss also noch eine andere Lösung geben.

Und vor allem Raum ist tatsächlich ein entscheidender Faktor – vor allem im weiblichen Becken: Ein größerer Kopf des Fötus würde massive Probleme bei der Geburt verursachen. Doch über einen Trick hat uns die Evolution eine deutliche Oberflächenvergrößerung des Cortex spendiert, indem sie ihn, sozusagen, zusammenknüllt. Oder besser: faltet. Es gibt eine These, nach der sich diese Faltung durch die Länge der Axone ergibt: Entlang ihres begrenzten Wachstums zieht sich der Cortex während der Gehirnentwicklung in seine charakteristische Form.

Der Homo sapiens ist um die 40.000 Jahre alt und großartige Veränderungen an seinem beeindruckenden Gehirn hat es seitdem nicht gegeben – könnten wir einen Frühmenschen in die heutige Zeit teleportieren und würde er in einer modernen Familie in einem zeitgemäßen Leben aufwachsen, könnte auch er problemlos BWL studieren. Doch was wäre, wenn wir tatsächlich einen größeren Kopf hätten – bedeutet mehr Platz auch gleich Homo sapiens 2.0?

Nun: Schiere Größe ist nicht alles, auch beim Gehirn nicht. Der Hirnforscher Gerhard Roth von der Universität Bremen bringt an dieser Stelle gern das Beispiel des Blauwals, der zwar einige bemerkenswerte Fähigkeiten hat, dessen großes Gehirn aber mehr dem einer Kuh gleicht – nur in anderen Dimensionen. Zwar seien die Größe des Gehirns, des Cortex und vor allem des präfrontalen Cortex wichtige Indizien für Intelligenz, doch sei die Anzahl der corticalen Neurone und die axonale Leitungsgeschwindigkeit deutlich wichtiger.

Nimmt man all das zusammen, machen wir Menschen das Beste aus unseren aktuellen Möglichkeiten. Der Preis dafür besteht in einer langen Phase der Entwicklung – im Vergleich zu vielen anderen Tieren werden wir viel zu früh geboren. Und bis das Gehirn schlussendlich ausgereift ist, dauert es 25 Jahre.

Warum verbraucht das Gehirn so viel Energie?

Neben dem Raum spielt der Energieverbrauch eine große Rolle. Der ist vergleichsweise enorm: Anderthalb Kilogramm zentrales Nervensystem kosten die restlichen 50, 70, 90 Kilogramm des Körpers 20 Prozent seiner Energie. Das muss schon ein wichtiges Organ sein, dem die Evolution solch einen Etat zubilligt. Wie also steht es um den Energieverbrauch unserer Neurone?

Nun, da gibt es solche und solche. Oliver Kann von der Universität Heidelberg erforscht den Energieverbrauch am Beispiel bestimmter Gehirnfrequenzen – der Gammaoszillationen. Sie sind für fundamentale Prozesse der Informationsverarbeitung – wie Wahrnehmung, Gedächtnis oder Motorik – wichtig. Und zeigen sich unter anderem im Hippocampus im Zusammenspiel der Pyramidenzellen und der kleinen Population der so genannten „fast spiking interneurons“ – Interneurone, die im Gammabereich zwischen 30 und 100 Hz feuern. Diese gehören zu den Korbzellen, und wie viele Interneurone nutzen sie als Botenstoff den Neurotransmitter GABA. Dadurch haben sie auf die nachgeschalteten Zellen hemmende Effekte – eine der wichtigsten Aufgaben im Netzwerk.

Fast spiking interneurons fallen einerseits durch ihr hochkomplexes Axon auf, über das ein solches Interneuron bis zu 2000 Pyramidenzellen erreichen kann (die, aber das nur in Klammern zum Vergleich, nur eine Aktivität von ein bis zwei Hz aufweisen). Zum anderen sind diese Interneurone durch eine hohe Anzahl von Mitochondrien charakterisiert, die winzigen Kraftwerke der Zelle, die sie mit Energie versorgen. Und davon brauchen die schnell feuernden Interneurone jede Menge, denn sie sind es, die die Aktivität der Pyramidenzellen synchronisieren und so erst die nötige Kohärenz sicherstellen.

Mithilfe von Elektroden misst Oliver Kann nun den Sauerstoffverbrauch und damit den Energieumsatz bei Gammaoszillationen: Er liegt am oberen Limit der Leistungsfähigkeit der Mitochondrien. Liegt das am Gamma? Es sieht ganz so aus, denn wird umgekehrt die Sauerstoffzufuhr reduziert, nehmen die Gammafrequenzen schnell ab. Und es gilt wahrscheinlich auch: je kohärenter die Oszillationen, umso höher der Energieverbrauch. Was allerdings genau den hohen Energieverbrauch verursacht – die hohe Feuerrate, das stark verzweigte Axon mit seinen vielen Synapsen, die Synthese, Ausschüttung und Wiederaufnahme von GABA an jeder einzelnen dieser Synapsen  – und wie sich der Verbrauch auf Prä- und Postsynapse verteilt, ist eine neue Frage.

Warum überlappen Netzwerke im Gehirn?

Kommen wir vom Theoretischen ins Praktische: Wir wissen, dass das einzelne Neuron Teil verschiedener Netzwerke sein kann. Zum Glück, denn das Prinzip des Großmutterneurons – bei dem ein Neuron einen Sachverhalt speichert, was unter Neurowissenschaftlern lange Zeit diskutiert wurde – würde unser Gedächtnis rasch an den Rand seiner Speicherkapazität bringen. Durch die „kombinatorische Codierung“ kann eine Nervenzelle Teil des Netzwerkes „Erinnerungen an Papa“ und des Netzwerkes „Erinnerungen an Mama“ und auch noch an einem für Oma, Opa sein. Nicht nur für das Gedächtnis sind diese verwobenen Netzwerke eine gute Sache.

Auch Gruppen von Netzwerken, die Assemblies, überlappen – das ist die Regel, nicht die Ausnahme. Ist das womöglich das Geheimnis hinter dem Phänomen der Synästhesie? Sind hier die Netzwerke zur Verarbeitung der einzelnen Sinnesmodalitäten nicht klar voneinander getrennt? Bekommen deshalb also Farben einen Geschmack oder Wochentage eine Farbe? Daniel Durstewitz vom Bernstein Center for Computational Neuroscience in Heidelberg sagt: nein. Vermutet werde vielmehr, dass bei der Synästhesie Konnektivitäten zwischen Arealen vorliegt, die so eigentlich nicht vorgesehen sind.

Welche Rolle spielen die Gliazellen?

Gliazellen gelten als die aufsteigenden Sterne im Gehirn. Oder zumindest in der Forschung: Lange ließen die Wissenschaftler sie links liegen, galten die Gliazellen doch als reine Versorger. Tatsächlich wurden sie sogar – ähnlich den Nervenzellen vor der Forschung von Ramón y Cajal –  als verschmolzene Struktur, also als Synzytium betrachtet. Das hat sich inzwischen erledigt, das Interesse an ihnen ist in den letzten zwanzig Jahren nachgerade explodiert. Und was die Wissenschaftler seitdem entdecken, versetzt sie in großes Erstaunen: Zum Beispiel bilden Astrozyten, eine Untergruppe der Gliazellen, eigene Netzwerke, in denen sie über Kalziumwellen miteinander kommunizieren. Auch erstaunlich: Die Netzwerke von Astrozyten und Neuronen überlagern sich in stark funktional ausgeprägten Teilen des Cortex wie der somatosensorischen Rinde oder dem Riechkolben. Welche Rolle also spielen Gliazellen für die Netzwerke der Neurone?

Eine große: Indem sie etwa als Oligodendrozyten mit ihren Myelinscheiden die Axone umhüllen und so nicht nur eine schnellere Erregungsleitung ermöglichen, sondern durch die Versorgung der Fasern mit Nährstoffen eine Länge von bis zu einem Meter fünfzig beim Menschen überhaupt erst zulassen. Mikroglia, die zweite große Gruppe der Gliazellen, sind in der Lage, Synapsen abzubauen. Und die dritte Gruppe, die Astrozyten, umhüllen Synapsen und optimieren die Signalübertragung. Sie sind in dieser so genannten triparten Synapse der dritte Partner neben den beiden beteiligten Neuronen und damit wichtiger Teil der Langzeitplastizität, stärken also Verbindungen zwischen Neuronen an den Synapsen: Auf diese Weise beeinflussen sie, welchen Fluss die Verarbeitung durch das Netzwerk nimmt, welche Informationen leichter ausgelesen werden – und so letzten Endes auch die Entscheidungsfindung. Denn auch Netzwerke konkurrieren untereinander – und das effiziente Netzwerk ist das mit den stärkeren Synapsen. Der Gewinner wird ausgelesen. Die anderen Signale versinken im Vergessen.

Gibt es ein „Gehirn im Gehirn“?

Doch wie steht es um die angesprochenen Netzwerke der Astrozyten – sind sie tatsächlich als eine Art „Second Brain“ zu betrachten, wie zum Beispiel der amerikanische Forscher Douglas Fields erklärt? Helmut Kettenmann vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin, einer der bekanntesten Gliaforscher, ist skeptisch: Das Gehirn sei als Gesamtheit zu betrachten, nur so sei es funktionsfähig. Rolf Sprengel vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg ergänzt, dass eine globale Aktivität im Astrozytennetzwerk ein Zeichen epileptischer, also pathologischer Aktivität darstellt. Im gesunden Gehirn ist die physiologische Aktivität eher auf lokale Bereiche beschränkt. Doch wer weiß, welche Effekte hier noch auf Entdeckung warten?

Wir wissen, dass wir nichts wissen

Bei der Erforschung des Gehirns stellt uns jede Antwort vor gefühlte zehn neue Fragen. Bis wir eine stimmige Theorie des Gehirns entwickelt haben werden, kann es noch etwas dauern. Eine schlechte Nachricht ist das allerdings nicht: Wären wir – so komplex und voller Möglichkeiten wie wir sind – nicht schrecklich enttäuscht, wenn wir uns einfach mal so durchschauen könnten?

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3D-Gehirn
Infos zum Beitrag
Datum:
01.01.2016
Wissenschaftliche Betreuung:
Prof. Dr. Eckhard Friauf
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