Eine Reise ins Gehirn

Dr. Francis Collins, Direktor des NIH, und Präsident Barack Obama stellen die Brain Initiative vor. (Offizielles Pressefoto des Weißen Hauses/ Chuck Kennedy)
Eine Reise ins Gehirn
Autor: Nicole Simon

Für die BRAIN Initiative wollen US-​Forscher die komplette neuronale Aktivität des Gehirns kartieren, um seine letzten Geheimnisse zu entschlüsseln. Dass es gelingen kann, ist nicht ganz unumstritten.

Wissenschaftliche Betreuung: Jochen F. Staiger

Veröffentlicht: 30.05.2013

Das Wichtigste in Kürze
  • Die BRAIN Initiative ist ein US-amerikanisches Großprojekt zur Erforschung des Gehirns. Wissenschaftler werden in den nächsten Jahren daran arbeiten, die Aktivität der Neuronen zu visualisieren und einzeln zu analysieren.
  • Die Forscher wollen so besser verstehen, wie Bewusstsein entsteht, wie Menschen lernen, Entscheidungen zu treffen, aber auch, wie Krankheiten entstehen und wie man sie behandeln kann.
  • Kritiker haben jedoch große Bedenken geäußert. Bislang gibt es kaum Informationen zur Planung und Durchführung des Projekts.
  • Ausgelegt ist die BRAIN Initiative auf 10 bis 15 Jahre. Beginnen soll die Finanzierung 2014.
  • Im Gespräch ist eine Fördersumme von etwa 110 Millionen Dollar für jedes Forschungsjahr.

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.

BRAIN Initiative: Die Forscher

Federführend werden die beiden Neurowissenschaftler Cornelia Bargmann von der Rockefeller University und William Newsome von der Stanford University sein. In den ersten Jahren versuchen die Forscher, Methoden zu entwickeln, um die Aktivität von Millionen Neuronen gleichzeitig sichtbar zu machen, Nervenzellen in den Schaltkreisen des Gehirns zu kontrollieren und die riesigen Datenberge an Informationen zu speichern und zu analysieren.

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.

BRAIN Initiative: Die Geldgeber

Im Gespräch ist eine Fördersumme von etwa 110 Millionen Dollar für jedes Forschungsjahr. Finanziert würde das Projekt unter anderem von den Nationalen Gesundheitsinstituten (NIH, 40 Millionen), the Defence Advanced Research Projects Agency, einer Behörde des Verteidigungsministeriums (DARPA, 50 Millionen), sowie der nationalen Wissenschaftsstiftung (20 Millionen). Auch private Stiftungen machen mit: Das Allen Institute for Brain Science verpflichtet sich, 60 Millionen Dollar jährlich zur Verfügung zu stellen, das Howard Hughes Medical Institute will 30 Millionen zusteuern und die Kavli Foundation vier Millionen für zehn Jahre. Dazu kommen 28 Millionen vom Salk Institute for Biological Studies.

Es war nur eine kleine Anspielung, doch sie reichte aus, um weltweit eine ganze Riege von Neurowissenschaftlern aufzuwühlen. Am 12. Februar, versteckt in der Rede zur Lage der Nation, gibt Barack Obama den Startschuss für eines der größten Forschungsprojekte zum Gehirn: „Jeder Dollar, den wir für die Kartierung des menschlichen Erbguts ausgegeben haben, hat uns 140 Dollar eingebracht. Heute kartieren Wissenschaftler das menschliche Gehirn.“

Kurz darauf twitterte Francis Collins, der Direktor des Nationalen Gesundheitsinstituts: „Obama erwähnt die #NIH Brain Activity Map“.

Gemeint ist ein gigantisches Projekt, das sich nicht weniger zum Ziel gesetzt hat, als eine Landkarte aller Aktivitäten im menschlichen Gehirn zu erstellen: every spike in every neuron – eine enorme Herausforderung.

US-​Wissenschaftler sollen in den nächsten Jahren wie mit einer Lupe auf die neuronale Ebene des Gehirns zoomen, um jeder Nervenzelle in Echtzeit bei der Arbeit zuzusehen. Sie wollen verstehen, wie das Gehirn arbeitet, wie Bewusstsein entsteht und wie Krankheiten das Zusammenspiel der Neuronen verändern.

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.

Die Eintrittskarte

Die Idee dazu ist nicht ganz neu: Schon länger arbeiten Wissenschaftler wie Rafael Yuste, Michael Roukes, George Church und Paul Alivasatos an dieser Idee. Im vergangenen Jahr veröffentlichten sie ihre Überlegungen im Fachblatt Neuron. Das Projekt nannten sie die „Brain Activity Map“.

In fünf Jahren, schrieben die Forscher, ließen sich die Nervenzellen von C. elegans analysieren, einem kleinen Wurm mit 302 Neuronen und um die 7.000 Verbindungen. Das Gehirn einer Fruchtfliege mit ihren 130.000 Neuronen zu kartieren, könnte noch zehn Jahre dauern. In 15 Jahren hat man vielleicht das Gehirn eines Zebrafisches oder einige Areale des Mäusecortex verstanden.

Es dauert nicht lange und Barack Obama bestätigt im Weißen Haus das Vorhaben:„Menschen können Galaxien identifizieren, die Lichtjahre entfernt sind, und Partikel studieren, die kleiner als ein Atom sind. Aber wir wissen fast nichts über den Stoff der zwischen unseren Ohren sitzt.“ Mit fast 100 Milliarden Neuronen und 100 Billionen Verbindungen gehört das Gehirn zu den größten Geheimnissen der Wissenschaft. Eines, das „nur darauf wartet, gelöst zu werden“, so Obama. Von nun an heißt das Projekt: die BRAIN Initiative (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies).

Schon im nächsten Jahr sollen die ersten 100 Millionen Euro bereitstehen. Finanzielle Unterstützung kommt von den Nationalen Gesundheitsinstituten (NIH), der nationalen Wissenschaftsstiftung, dem Verteidigungsministerium und privaten Stiftungen.

Viel Geld mitten in der US-​Haushaltskrise. Doch Wissenschaftler wie Yuste gehen davon aus, dass sich das Projekt auch finanziell lohnen wird: „Die ökonomischen Aktivitäten, die das Projekt hervorbringt, werden vergleichbar sein mit dem Humanen Genomprojekt, das 3,8 Milliarden kostete, aber 800 Milliarden Dollar generierte“, schreibt der Forscher mit seinen Kollegen in Science.

Zudem sollen die Erkenntnisse eines Tages helfen, viele der verheerendsten Gehirnstörungen wie Epilepsie, Depressionen, Schizophrenie oder Demenz besser zu verstehen und behandeln zu können.

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.

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.

Demenz

Demenz/Dementia/dementia

Demenz ist ein erworbenes Defizit kognitiver, aber auch sozialer, motorischer und emotionaler Fähigkeiten. Die bekannteste Form ist Alzheimer. „De mentia“ bedeutet auf Deutsch „ohne Geist“.

Am Anfang steht der Plan

Vor großen Errungenschaften steht jedoch eine kluge Planung. Cornelia Bargmann von der Rockefeller University und William Newsome von der Stanford University haben in den nächsten Monaten die schwierige Aufgabe, einen Zeitplan zu entwerfen und erste Ziele zu definieren. Bis zum Herbst soll ein erster Zwischenbericht stehen, in dem die Forscher die wichtigsten Investitionen für das Jahr 2014 empfehlen.

Und das ist auch bitter nötig. Denn bislang ist noch nicht einmal im Ansatz geklärt, wie man vorgehen will. Klar ist jedoch, dass sich die Forscher zuerst einmal um neue Methoden kümmern müssen. Denn die wissenschaftlichen Werkzeuge von heute sind für so ein Vorhaben schlichtweg nicht ausgelegt. Wissenschaftler können zwar den Blutfluss im Gehirn mit der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRI) beobachten, es ist auch möglich, die Dichte von Rezeptoren mit einem PET-​Scan zu analysieren oder die elektrische Aktivität von großen Gruppen von Nervenzellen mit dem EEG zu messen. Doch alle diese Techniken sind – zumindest bei der Forschung am Menschen – sehr begrenzt. Der Einblick, den sie bieten, ist vergleichbar mit dem Blick aus dem Weltall auf die Erde. Strukturen lassen sich erkennen, doch was hier unten wirklich passiert, wie Menschen leben und warum – all das bleibt verborgen.

Funktionelle Magnetresonanztomographie

Funktionelle Magnetresonanztomographie/-/functional magnetic resonance imaging

Eine Modifikation der Magnetresonanztomographie oder –tomografie (MRT, englisch MRI) die die Messung des regionalen Körperstoffwechsels erlaubt. In der Hirnforschung wird besonders häufig der BOLD-​Kontrast (blood oxygen level dependent) verwendet, der das unterschiedliche magnetische Verhalten sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Bluts nutzt. Ein hoher Sauerstoffverbrauch kann mit erhöhter Aktivität korreliert werden. fMRT-​Messungen haben eine gute räumliche Auflösung und erlauben so detaillierte Information über die Aktivität eines bestimmten Areals im Gehirn.

Funktionelle Magnetresonanztomographie

Funktionelle Magnetresonanztomographie/-/functional magnetic resonance imaging

Eine Modifikation der Magnetresonanztomographie oder –tomografie (MRT, englisch MRI) die die Messung des regionalen Körperstoffwechsels erlaubt. In der Hirnforschung wird besonders häufig der BOLD-​Kontrast (blood oxygen level dependent) verwendet, der das unterschiedliche magnetische Verhalten sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Bluts nutzt. Ein hoher Sauerstoffverbrauch kann mit erhöhter Aktivität korreliert werden. fMRT-​Messungen haben eine gute räumliche Auflösung und erlauben so detaillierte Information über die Aktivität eines bestimmten Areals im Gehirn.

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.

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.

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.

Viele offene Fragen

Um ihr Ziel zu erreichen, müssen die beteiligten Forscher ein vollkommen neues Equipment entwickeln, das gleichzeitig die Aktivität von Millionen Neuronen einzeln sichtbar macht und dazu auch noch aufzeichnet. Neues Handwerkszeug werden sie benötigen, um die Neuronen in den Schaltkreisen des Gehirns einzeln kontrollieren zu können. Nur so lassen sich die Modelle, die sie im Laufe der Zeit aufstellen, auch testen.

Nicht zuletzt braucht es Ideen, um die riesigen Datenberge an Informationen zu speichern, zu verwalten und zu analysieren. Der riesige Teilchenbeschleuniger in Genf generiert jedes Jahr zehn Petabyte an Daten. Hunderte Forscher sind damit beschäftigt, die Informationen zu sammeln und auszuwerten. Das Gehirn jedoch produziert wahrscheinlich jährlich 300.000 Petabyte an Informationen. Wie wertet man diese gigantischen Datenmengen aus? Lösungen sollen unter anderem auch Firmen wie Google, Microsoft und Qualcomm liefern, die wahrscheinlich mit an Board des Projekts sein werden.

Noch ist auch nicht klar, wie man mit dem neuem Wissen umgeht. Denn Informationen können auch missbraucht werden. Was, wenn die Forscher herausfinden, wie man Aggressionen mindert? Wie man seine Emotionen kontrolliert? Dürfen Straftäter dann entsprechend neurologisch behandelt werden oder Soldaten entsprechend trainiert? Die ethischen Fragen, die eine solche Forschung aufwerfen könnte, sind noch weitgehend ungeklärt.

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.

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.

Methoden von morgen?

Bislang existieren etwa eine Handvoll Publikationen, die einen Blick in die Zukunft bieten. Einen Vorstoß etwa haben im März Philipp Keller vom Howard Hughes Medical Institute in Virginia und seine Kollegen gemeldet: Mit Hilfe von fluoreszierenden Proteinen haben sie es geschafft, einem Fisch beim Denken zuzusehen. 100.000 Nervenzellen besitzt das Larvengehirn eines Zebrafisches. Die Wissenschaftler waren in der Lage, die Aktivität von 80.000 Neuronen im Sekundentakt aufzuzeichnen. Nur sehr versteckte Gebiete wie zwischen den Augen konnten sie nicht recht beobachten. Nanoforscher berichten von Versuchen, mit winzigen Elektroden große Gruppen von Neuronen gleichzeitig zu analysieren. Optogenetische Verfahren erlauben die Steuerung von Nervenzellen mittels Lichtimpulsen, und ihr Entwickler Karl Deisseroth verwandelt die graue Masse eines Mäusegehirns inzwischen sogar in eine transparente Struktur. Welche Ansätze das Potenzial haben, die Wissenschaftler ihrem Ziel näher zu bringen, lässt sich heute noch kaum abschätzen.

Ausgelegt ist das Projekt auf 10 bis 15 Jahre. Das hört sich nach einer langen Zeit an. Die relativiert sich jedoch, wenn man bedenkt, wie zeitintensiv Forschung sein kann. Es wird allein Monate dauern, bis das Projekt ins Laufen kommt. Bis die ersten Forschungsergebnisse produziert werden, vergehen weitere Jahre. Die Daten müssen publiziert werden, damit andere Labore die Informationen für ihre Forschung nutzen können. Und wieder gehen Monate ins Land.

Das letzte Vorhaben dieser Größenordnung, das Humane Genomprojekt, wirkt gegen die BRAIN Initiative wie ein Kinderspiel. Man wusste, wie das Genom aussieht, wie groß es ist. Man hatte die technischen Mittel, um loszulegen, und wusste, wie man vorgehen würde. Die BRAIN Initiative ist ein Schuss ins Dunkel ohne ein klares Ende.

Kritikern bieten die vielen offenen Fragen ausreichend Stoff, um dem Projekt skeptisch gegenüberzustehen. „Noch sind die Informationen einfach schrecklich vage, daher ist es schwierig, keine Vorbehalte zu haben“, sagte etwa der Biophysiker Jeremy Berg von der Universität in Pittsburgh der New York Times.

Nun liegt es an den Machern, mit gut überlegten Zielen und Projekten die Sorgen der Kritiker zu zerstreuen.

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.

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.

zum Weiterlesen:

  • Alivisatos, Paul. et al, Neuroscience. The brain activity map., Science. 2013 Mar 15;339(6125):1284 – 5 (zum Abstract)
  • Zhuang X et al, Nanotools for Neuroscience and Brain Activity Mapping., ACS Nano. 2013 Mar 20. [Epub ahead of print] (zum Abstract)
  • Misha B Ahrens & Philipp J Keller, Whole-​brain functional imaging at cellular resolution using light-​sheet microscopy, Nature Methods, doi:10.1038/nmeth.2434 (zum Abstract)
  • Factsheet des Weißen Hauses zur Brain Initiative, URL: www​.white​house​.gov/​t​h​e​-​p​r​e​s​s​-​o​f​f​i​c​e​/​2​0​1​3​/​0​4​/​0​2​/​f​a​c​t​-​s​h​e​e​t​-​b​r​a​i​n​-​i​n​i​t​i​ative [Stand: 30.05.2013]; zur Webseite
  • Informationen des US National Institutes of Health (NIH), URL: www​.nih​.gov/​s​c​i​e​n​c​e​/​b​r​a​i​n​/​i​n​d​e​x.htm [Stand: 30.05.2013]; zur Webseite
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