Kinder im Labor

Grafik: MW

Babys und Kinder sind begehrte Probanden für die Hirnforschung. Doch Studien mit ihnen unterliegen strengen ethischen Regeln. Und Kinder im Labor bei Laune zu halten, ist eine echte Herausforderung.

Wissenschaftliche Betreuung: Claudia Buß

Veröffentlicht: 23.03.2016

Das Wichtigste in Kürze
  • In der Grundlagenforschung und bei klinischen Studien sind Babys und Kinder begehrte Probanden.
  • Um sie zu engagierten Freiwilligen zu machen, gestalten Forscher ihre Studien kindgerecht: unterhaltsam und kurzweilig.
  • Verschiedene Methoden wie EEG oder Nahinfrarotspektroskopie kommen bei der Forschung mit Kindern zum Einsatz. Aufnahmen mit der Magentresonanztomografie (MRT) sind eine Herausforderung: Die Kleinen dürfen sich nicht bewegen und müssen psychologisch auf die Enge und Lautstärke des Geräts vorbereitet werden.
  • Ethiker legen besonderen Wert darauf, dass Risiko und Belastung für die Kinder minimal sind, schließlich haben die Kinder besonders von der Grundlagenforschung keinen eigenen Nutzen.

EEG

Elektroencephalogramm/-/electroencephalography

Bei dem Elektroencephalogramm, kurz EEG handelt es sich um eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Gehirns (Hirnströme). Die Hirnströme werden an der Kopfoberfläche oder mittels implantierter Elektroden im Gehirn selbst gemessen. Die Zeitauflösung liegt im Millisekundenbereich, die räumliche Auflösung ist hingegen sehr schlecht. Entdecker der elektrischen Hirnwellen bzw. des EEG ist der Neurologe Hans Berger (1873−1941) aus Jena.

Magnetresonanztomographie

Magnetresonanztomographie/-/magnetic resonance imaging

Ein bildgebendes Verfahren, das Mediziner zur Diagnose von Fehlbildungen in unterschiedlichen Geweben oder Organen des Körpers einsetzen. Die Methode wird umgangssprachlich auch Kernspin genannt. Sie beruht darauf, dass die Kerne mancher Atome einen Eigendrehimpuls besitzen, der im Magnetfeld seine Richtung ändern kann. Diese Eigenschaft trifft unter anderem auf Wasserstoff zu. Deshalb können Gewebe, die viel Wasser enthalten, besonders gut dargestellt werden. Abkürzung: MRT.

Im Babylab

Viele Forschungsfragen etwa zu den Ursprüngen psychischer Erkrankungen müssen in Phasen geklärt werden, in denen das Gehirn noch besonders stark auf Umwelteinflüsse reagiert. Da das Gehirn gerade im Kleinkindalter sehr plastisch ist, ist diese Entwicklungsphase für die Wissenschaft besonders interessant. Ganz auf die besonderen Bedürfnisse ihrer jungen Probanden zugeschnitten sind spezielle Babylabs, in denen Babys und Kleinkinder untersucht werden. Hier finden sich Babyflaschenwärmer in den Küchen, es gibt Wickelräume und Spielzeug im Warteraum. Die Labore hingegen sind meist bewusst schmucklos gehalten. Nichts woran ein kindlicher Blick kleben bleiben kann, schließlich sind die Kleinen leicht ablenkbar. Auch hungrige oder müde Babys geben keine willigen Probanden ab. Also müssen die Experimente, die Mahlzeiten und kleinen Schläfchen sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Bei den Versuchen setzen Forscher auf Fotos und Filme auf Computerbildschirmen, vor allem bunt und interessant müssen diese sein. Wenn das alles nichts hilft, spielen sie auch schon mal Musik ein, um die Kleinen bei der Stange zu halten. Oder sie holen die kleinen Erdenbürger mit „aufweckenden“ Geräuschen zu ihrer Aufgabe vor einem Bildschirm zurück. Eine wichtige Untersuchungsmethode ist neben der Messung der Gehirnströme über Elektroden auch die so genannte Blickzeitmessung oder Blickpräferenz-Methode. Dabei beobachten die Forscher, wie lange der Blick der Babys und Kleinkinder auf einem Bild oder Videoelement verweilt. Im Mittel über alle Probanden lässt sich dann oft ein Unterschied feststellen, sehen die Babys im Durchschnitt das eine oder andere Bild länger an. Die Forscher schließen von diesen Unterschieden dann auf Präferenzen oder Irritationen Klein, aber oho!.

Ein Dröhnen erfüllt das Raumschiff. Landschaften und Orte ziehen vor Neos Augen vorüber. Über Lautsprecher erklingt zwischendurch die Stimme der Bodenstation.

Das ist nicht etwa eine Szene aus einem Science-​Fiction-​Film. Das Geschehen findet ganz bodenständig am Max-​Planck-​Institut für Bildungsforschung in Berlin statt. Neo ist ein Proband in einer neurowissenschaftlichen Studie zum Gedächtnis – und das im zarten Alter von sechs Jahren. Das Experiment ist auf junge Freiwillige wie ihn zugeschnitten und deshalb in eine Geschichte verpackt: Die Kinder sind Astronauten, der Magnetresonanztomograf ist ein Raumschiff und das Labor die Bodenstation.

Ob man in der Grundlagenforschung die Entwicklung des Gehirns untersuchen möchte oder in klinischen Studien die Wirkung von Behandlungen: In den Neurowissenschaften sind Kinder und Babys begehrte Probanden (siehe Infokasten). Doch Hirnforschung mit Minderjährigen ist alles andere als ein Kinderspiel. Auch wenn Kinderspiele genau das sind, was Forscher ihren jungen Probanden oftmals bieten, um sie bei den Experimenten bei Laune zu halten.

Auge

Augapfel/Bulbus oculi/eye bulb

Das Auge ist das Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Lichtreizen – von elektromagnetischer Strahlung eines bestimmten Frequenzbereiches. Das für den Menschen sichtbare Licht liegt im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer.

Gedächtnis

Gedächtnis/-/memory

Gedächtnis ist ein Oberbegriff für alle Arten von Informationsspeicherung im Organismus. Dazu gehören neben dem reinen Behalten auch die Aufnahme der Information, deren Ordnung und der Abruf.

Stofftier Oskar erklärt die Abläufe

Anderthalb Stunden vorher: Die Forscher vom Max-​Planck-​Institut in Berlin bereiten Neo sorgfältig auf die Aufnahmen im Magnetresonanztomografen (MRT) vor. Es sollen unter anderem funktionelle Messungen erfolgen. Selbst kleine Bewegungen des Kopfes oder des Nackens können die Qualität der fMRT-​Bilder schmälern. Mit dem Stofftier Oskar erklärt eine Studienassistentin Neo, warum es so wichtig ist, stillzuhalten. „Das ist, als würde ich ein normales Foto von dir schießen“, sagt sie. „Hier hat er sich bewegt“. Oskar ist verwackelt auf einem Bild am Computermonitor zu erkennen.

Ruhig in einem Scanner zu liegen, ist keine leichte Aufgabe für die kleinen Probanden, schließlich können die Aufnahmen je nach Untersuchung bis zu einer Stunde dauern. Dass das MRT so sensibel auf Bewegungen reagiert, ist auch der Grund, warum man in der Grundlagenforschung eher selten Aufnahmen der Gehirne von Babys und Kleinkindern macht. Es gibt nur zwei Optionen: die Kleinen zu sedieren, was ethisch bedenklich ist – oder darauf zu setzen, dass der Sandmann von alleine kommt. Letzteres haben die Psychologin Alice Graham und ihre Kollegen von der University of Oregon in einer 2013 veröffentlichten Studie getan. Sie stellten fest, dass bereits das Gehirn von Babys die emotionale Färbung von Stimmen registriert – selbst, wenn die Kleinen wie in der Untersuchung selig im Scanner schlummern.

Vieles lässt sich auf diesem Weg natürlich nicht untersuchen, etwa wie das Gehirn auf visuelle Reize reagiert. Deshalb greifen Forscher besonders bei Babys und Kleinkindern auf andere Methoden zurück. Bei der Elektroenzephalografie (EEG) mit Elektroden auf der Kopfhaut kann ein Kind bequem auf dem Schoß der Mutter sitzen und sich Reize anschauen, die auf einem Bildschirm präsentiert werden. Allerdings bietet die Methode nur eine schlechte räumliche Auflösung und misst bloß Vorgänge an der Oberfläche des Gehirns.

Daher schicken Neurowissenschaftler immer öfter mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) langwelliges Infrarotlicht durch den kindlichen Schädel. Anhand des zurückgeworfenen Lichts lässt sich die Aktivität der Nervenzellen abschätzen. Verglichen mit EEG erlaubt NIRS einen tieferen Blick ins Gehirn, und die jungen Probanden können sich während der Messungen frei bewegen, ohne das Signal zu stören. Aber auch NIRS kann nicht in tiefere Regionen des Gehirns wie den Hippocampus und die Amygdala vordringen. Das bleibt der MRT vorbehalten.

Magnetresonanztomographie

Magnetresonanztomographie/-/magnetic resonance imaging

Ein bildgebendes Verfahren, das Mediziner zur Diagnose von Fehlbildungen in unterschiedlichen Geweben oder Organen des Körpers einsetzen. Die Methode wird umgangssprachlich auch Kernspin genannt. Sie beruht darauf, dass die Kerne mancher Atome einen Eigendrehimpuls besitzen, der im Magnetfeld seine Richtung ändern kann. Diese Eigenschaft trifft unter anderem auf Wasserstoff zu. Deshalb können Gewebe, die viel Wasser enthalten, besonders gut dargestellt werden. Abkürzung: MRT.

EEG

Elektroencephalogramm/-/electroencephalography

Bei dem Elektroencephalogramm, kurz EEG handelt es sich um eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Gehirns (Hirnströme). Die Hirnströme werden an der Kopfoberfläche oder mittels implantierter Elektroden im Gehirn selbst gemessen. Die Zeitauflösung liegt im Millisekundenbereich, die räumliche Auflösung ist hingegen sehr schlecht. Entdecker der elektrischen Hirnwellen bzw. des EEG ist der Neurologe Hans Berger (1873−1941) aus Jena.

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.

Hippocampus

Hippocampus/Hippocampus/hippocampual formatio

Der Hippocampus ist der größte Teil des Archicortex und ein Areal im Temporallappen. Er ist zudem ein wichtiger Teil des limbischen Systems. Funktional ist er an Gedächtnisprozessen, aber auch an räumlicher Orientierung beteiligt. Er umfasst das Subiculum, den Gyrus dentatus und das Ammonshorn mit seinen vier Feldern CA1-​CA4.

Veränderungen in der Struktur des Hippocampus durch Stress werden mit Schmerzchronifizierung in Zusammenhang gebracht. Der Hippocampus spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verstärkung von Schmerz durch Angst.

Amygdala

Amygdala/Corpus amygdaloideum/amygdala

Ein wichtiges Kerngebiet im Temporallappen, welches mit Emotionen in Verbindung gebracht wird: es bewertet den emotionalen Gehalt einer Situation und reagiert besonders auf Bedrohung. In diesem Zusammenhang wird sie auch durch Schmerzreize aktiviert und spielt eine wichtige Rolle in der emotionalen Bewertung sensorischer Reize. Die Amygdala – zu Deutsch Mandelkern – wird zum limbischen System gezählt.

Psychisch belastend?

In Berlin machen die Forscher Neo mittlerweile mit dem MRT-​Scanner vertraut. Manche Probanden empfinden es als belastend, eingesperrt zu sein in der engen Röhre, einige haben sogar Klaustrophobie oder bekommen eine Panikattacke. Anderen macht der Lärm – die lauten Klopfgeräusche des Scanners – zu schaffen. Am Max-​Planck-​Institut fragen daher die Mitarbeiter die Eltern vorab, ob ihr Kind Raumangst oder Zeichen einer Klaustrophobie zeigt. Falls ja, können die Kinder nicht an der Studie teilnehmen. Um die Kleinen psychologisch auf den Scanner vorzubereiten, nutzen die Forscher einen MRT-​Simulator, der dem echten Gerät zum Verwechseln ähnlich sieht. „Und im Falle eines Falles gibt es auch noch den Notfallknopf“, sagt Attila Keresztes, kognitiver Neurowissenschaftler und einer der an der Studie beteiligten Forscher. „Die Kinder können diesen Knopf drücken, wenn sie sich unwohl fühlen. Dann wird der Test angehalten.“

In der Fachliteratur ist es bislang umstritten, ob MRT-​Aufnahmen für Kinder belastender sind als für Erwachsene. Aus diesem Grund haben Forscher um die Psychologin Charlotte Jaite von der Charité in Berlin gerade eine entsprechende Studie durchgeführt. Die Wissenschaftler schauten sich an, ob und in welchem Umfang MRT-​Untersuchungen negative Emotionen bei Kindern und Jugendlichen auslösen. Nach § 41, Abs. 2 des Arzneimittelgesetzes, das unter anderem die Prüfung von Arzneimitteln regelt, dürfen Forschungen nicht mehr als „minimale Belastungen“ für die Minderjährigen darstellen. Das Team um Jaite verglich daher die Auswirkungen von MRT-​Messungen mit denen von EEG-​Untersuchungen. Schließlich gelten letztere derzeit als „minimale Belastung“. „Nach unseren bisherigen Beobachtungen im Rahmen der Datenerhebung scheinen Patienten im Kindes– und Jugendalter vor und während einer MRT-​Untersuchung kein höheres Angstniveau aufzuweisen als Kinder und Jugendliche, die mittels EEG untersucht werden.“ Das schrieben die Forscher 2013 in einer Zusammenfassung ihres Studiendesigns.

Emotionen

Emotionen/-/emotions

Unter „Emotionen“ verstehen Neurowissenschaftler psychische Prozesse, die durch äußere Reize ausgelöst werden und eine Handlungsbereitschaft zur Folge haben. Emotionen entstehen im limbischen System, einem stammesgeschichtlich alten Teil des Gehirns. Der Psychologe Paul Ekman hat sechs kulturübergreifende Basisemotionen definiert, die sich in charakteristischen Gesichtsausdrücken widerspiegeln: Freude, Ärger, Angst, Überraschung, Trauer und Ekel.

EEG

Elektroencephalogramm/-/electroencephalography

Bei dem Elektroencephalogramm, kurz EEG handelt es sich um eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Gehirns (Hirnströme). Die Hirnströme werden an der Kopfoberfläche oder mittels implantierter Elektroden im Gehirn selbst gemessen. Die Zeitauflösung liegt im Millisekundenbereich, die räumliche Auflösung ist hingegen sehr schlecht. Entdecker der elektrischen Hirnwellen bzw. des EEG ist der Neurologe Hans Berger (1873−1941) aus Jena.

Mustertrennung im Gehirn

Nachdem Neo zum Eingewöhnen im Simulator gelegen hat, ist nun der echte Scanner dran. „Hallo Captain Neo, hier ist die Bodenstation“, erklingt es aus dem Lautsprecher. „Wir starten jetzt deine Rakete?“ „Ja“, antwortet der tapfere Raumfahrer. Passend zur Astronautengeschichte soll er jedes Mal einen Knopf drücken, wenn er ein Alien auf den Bildern erspäht, die ihm verschiedene Landschaften und Orte zeigen. Mal wiederholen sich die Szenen, mal sind sie einander nur sehr ähnlich. „In der Studie geht es darum, wie sich die so genannte Mustertrennung im Gehirn im Laufe des Lebens entwickelt“, erklärt Attila Keresztes. „Diese Funktion des Gedächtnisses ermöglicht es uns, zwei sehr ähnliche Erfahrungen unterschiedlich zu speichern.“ Die Berliner Forscher vermuten, dass ein Untergebiet des seepferdchenförmigen Hippocampus für solche miteinander verwobenen Erinnerungen eine wichtige Rolle spielt.

Um Neos Kopf seine Geheimnisse zu entlocken, umgeben ihn nun im Scanner ein starkes Magnetfeld und Radiowellen. Im Gegensatz etwa zu einer Computertomografie entstehen bei der MRT keine ionisierenden Röntgenstrahlen. „Rein körperlich hat die MRT-​Aufnahme keine schädliche Wirkung“, sagt Attila Keresztes. Studien bestätigen dies. Drei Jahrzehnte der Anwendung von MRT beim Menschen habe keinerlei akute Auswirkungen oder Langzeitfolgen biologischer Art gesehen. Das schrieben Forscher um den Biostatistiker Mekibib Altaye von der University of Cincinnati College of Medicine in einer Studie von 2014. Die meisten Prüfungskommissionen würden MRT-​Aufnahmen daher als ein minimales Risiko einstufen. In ihrer eigenen Langzeituntersuchung fanden die Forscher zudem keine statistisch relevanten Hinweise darauf, dass die geistige oder körperliche Entwicklung kindlicher Probanden über einen Zeitraum von zehn Jahren unter jährlichen MRT-​Aufnahmen gelitten hätte. Allerdings handelte es sich nur um eine kleine Studie mit wenigen Probanden und die Forscher verwendeten als körperliche Marker lediglich Gewicht, Größe und den Body-​Mass-​Index.

Gedächtnis

Gedächtnis/-/memory

Gedächtnis ist ein Oberbegriff für alle Arten von Informationsspeicherung im Organismus. Dazu gehören neben dem reinen Behalten auch die Aufnahme der Information, deren Ordnung und der Abruf.

Hippocampus

Hippocampus/Hippocampus/hippocampual formatio

Der Hippocampus ist der größte Teil des Archicortex und ein Areal im Temporallappen. Er ist zudem ein wichtiger Teil des limbischen Systems. Funktional ist er an Gedächtnisprozessen, aber auch an räumlicher Orientierung beteiligt. Er umfasst das Subiculum, den Gyrus dentatus und das Ammonshorn mit seinen vier Feldern CA1-​CA4.

Veränderungen in der Struktur des Hippocampus durch Stress werden mit Schmerzchronifizierung in Zusammenhang gebracht. Der Hippocampus spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verstärkung von Schmerz durch Angst.

Magnetresonanztomographie

Magnetresonanztomographie/-/magnetic resonance imaging

Ein bildgebendes Verfahren, das Mediziner zur Diagnose von Fehlbildungen in unterschiedlichen Geweben oder Organen des Körpers einsetzen. Die Methode wird umgangssprachlich auch Kernspin genannt. Sie beruht darauf, dass die Kerne mancher Atome einen Eigendrehimpuls besitzen, der im Magnetfeld seine Richtung ändern kann. Diese Eigenschaft trifft unter anderem auf Wasserstoff zu. Deshalb können Gewebe, die viel Wasser enthalten, besonders gut dargestellt werden. Abkürzung: MRT.

Ethische Aspekte der Forschung mit Kindern

So oder so: Ethische Bedenken bleiben bestehen. „Studien mit Minderjährigen stellen ein vertracktes moralisches Problem dar“, sagt der Philosoph Bert Heinrichs vom Institut für Wissenschaft und Ethik der Uni Bonn. „Bei klinischen Studien geht es in erster Linie um wissenschaftliche Erkenntnisse und höchstens in zweiter Linie um einen Nutzen für den Probanden.“ Das gelte erst recht für die Grundlagenforschung. „Bei Erwachsenen ist das in der Regel kein Problem, sie können ihre Einwilligung geben und sie wissen, worauf sie sich einlassen.“ Doch Kinder sind je nach Alter gar nicht oder nur bedingt einwilligungsfähig. „Auf der anderen Seite hätten wir ohne jegliche Forschung an Minderjährigen auch keine angepassten Medikamente für Kinder“, sagt Heinrichs.

In Deutschland gibt es kein spezielles Gesetz, das die Forschung am Menschen regelt. Es existieren nur das Arzneimittelgesetz und das Medizinproduktegesetz, die jeweils Teilaspekte regeln. „Ansonsten haben wir allgemeine Gesetze wie das BGB“, ergänzt Heinrichs. Hierin ist festgelegt, dass Eltern bei Entscheidungen, die das Kind betreffen, dem Wohl des Kindes verpflichtet sind. „Sowohl das Risiko als auch die Belastung dürfen daher meiner Ansicht nach nicht größer als minimal ausfallen.“ Doch das Problem bleibe, welche Untersuchungen diese Kriterien erfüllen.

Neo scheint das lange Ausharren in seinem Raumschiff jedenfalls wohlbehalten überstanden zu haben. „Gut“, antwortet er etwas schüchtern auf die Frage, wie es denn so gewesen sei. Und dann lacht er über das ganze Gesicht, ein typisches Kinderlächeln.

zum Weiterlesen:

  • Holland, S.K. et al.: Data on the safety of repeated MRI in healthy children. Neuroimage Clin. 2014 Feb 9;4:526 – 3, (abstract).
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