Zum zweiten Mal innerhalb eines Jahres ist es einer Gruppe japanischer Forscher am Riken Zentrum für Entwicklungsbiologie in Kobe gelungen, aus embryonalen Stammzellen der Maus komplexes Ersatzgewebe für das Gehirn zu züchten: Nachdem das Team um den Direktor der Abteilung Neurogenese, Yoshiki Sasai, bereits im April in die Schlagzeilen geraten war, weil man eine Vorstufe der Netzhaut des Auges (Retina) geschaffen hatte, berichten die Forscher nun in der Fachzeitschrift Nature, wie sie durch die geschickte Manipulation der Kulturbedingungen die Entstehung eines Hypophysenvorderlappens gesteuert haben. Beim Menschen wie auch bei Mäusen bildet dieser Teil der Hirnanhangdrüse (Hypophyse) Hormone, die das Wachstum und die Schwangerschaft steuern, sowie bestimmte euphorisierende und schmerzstillende Substanzen, die Endorphine.
Hormon-bildende Zellen (rot gefärbt) inmitten von Drüsengewebe, das aus embryonalen Stammzellen gezüchtet wurde. (Foto: Yoshiki Sasai, RIKEN)
Dass die Kunstgebilde aus dem Labor sich möglicherweise als Ersatzdrüse eignen, konnten die Wissenschaftler im Mausversuch beweisen: Sie verpflanzten das neu gezüchtete Gewebe in die Niere von Tieren, denen man zuvor die Hypophyse entfernt hatte. Während Mäuse ohne Hypophyse nur etwa zwei Monate überleben, rettete der Eingriff die Nager und brachte deren Hormonspiegel wieder auf fast normale Werte zurück.
Die japanischen Forscher gehören zu den Pionieren der Stammzellforschung, von der Optimisten sich die Zucht von Ersatzgeweben und ganzen Organen für kranke Menschen erhoffen. Dafür müssen sich jedoch viele unterschiedliche Zelltypen räumlich exakt anordnen und miteinander wechselwirken, was bisher nur mit vergleichsweise einfachen Geweben wie Knorpel gelungen ist, und mit Gefäßzellen, die man auf künstlichen Luftröhren angesiedelt hat. Im Gegensatz dazu ist das menschliche Gehirn die komplexeste Struktur im bekannten Universum. Die Entwicklung dieses Organs verstehen die Neurowissenschaftler trotz enormer Fortschritte in den vergangenen Jahrzehnten bisher nur in groben Zügen.
Mit der von Sasai und seinen Kollegen entwickelten Technik SFEBq (für engl. serum-free floating culture of embryoid body-like aggregates with quick re-aggregation) gelang es aber immerhin, ausgehend von embryonalen Stammzellen zunächst in Lösung schwebende Zellhäufchen zu schaffen. Stimuliert man diese Häufchen durch die Zugabe bestimmter Signalmoleküle zum jeweils richtigen Zeitpunkt, so können daraus komplexere Gewebe entstehen. Das Verdienst der Japaner ist es, solch ein „molekulares Kochrezept“ gefunden zu haben, mit dem aus embryonalen Stammzellen eine Vorstufe des Hypophysenvorderlappens heranwuchs. Im Inneren dieser sogenannten Rathke-Tasche – benannt nach dem deutschen Anatomen Martin Rathke – konnten die Hirnforscher anschließend mithilfe weiterer Wachstumsfaktoren vier verschiedene Zelltypen sprießen lassen, die jeweils unterschiedliche Hormone bildeten.
Dass diese Gebilde das Leben von Labormäusen retten konnten, denen man die eigene Hypophyse entfernt hatte, zeigt das Potential der Technik, freute sich Sasai: „Noch behandeln wir Hypophysendefekte, indem wir die fehlenden Hormone ersetzen. Dabei die richtige Dosis zu finden ist aber angesichts der schwankenden Konzentrationen im Körper nicht gerade einfach. Ich hoffe, dass unsere Ergebnisse zu weiteren Fortschritten der regenerativen Medizin auf diesem Gebiet führen werden.“
Das amerikanische Verteidigungsministerium nutzt gezielt die neuesten Erkenntnisse und Techniken aus der Hirnforschung, um die US-Streitkräfte besser auf Kriege vorzubereiten. Dies ergibt sich aus mehreren Präsentationen beteiligter Wissenschaftler, die ihre Arbeiten kürzlich im Rahmen der Jahrestagung der Society for Neuroscience in Washington vorgestellt haben.
Durch die Stimulation hinter der Stirn gelegener Hirnregionen mit Schwachstrom ist es einer Arbeitsgruppe um Andy McKinley am Luftwaffenforschungszentrum in Dayton (Ohio) bereits gelungen, die Zielanalyse von Luftbildern aus Aufklärungsflügen zu verbessern. “Angesichts des exponentiell steigenden Bedarfs für militärische Informationen, Überwachung und Aufklärung hat die Air Force Schwierigkeiten, genug qualifiziertes Personal auszubilden, um die gewaltigen Mengen an Bildmaterial auszuwerten, die dabei anfallen”, begründen die Wissenschaftler ihre Studie, die sie unter dem unauffälligen Titel “Nicht-invasive Hirnstimulation zur Beschleunigung des Lernens” vorstellten.
Eine Methode um die Schlagkraft der Aufklärer zu stärken, könnte die so genannte transkranielle Hirnstimulation sein, bei durch die Schädeldecke hindurch Strom- oder Magnetfelder wirken, glaubt McKinley. Zwar wird das Verfahren bisher hauptsächlich in der Grundlagenforschung eingesetzt und zunehmend auch bei Krankheiten wie Depressionen, Schmerzen oder zur schnelleren Rehabilitation nach einem Schlaganfall erprobt. McKinley aber möchte seine Kollegen überzeugen, dass die Hirnstimulation mindestens ebenso gut geeignet sein könnte, um Menschen “bei der Arbeit zu unterstützen und ihre Leistung zu verbessern”.
Diese Arbeit bestand für die 13 jungen Männer in der Studie darin, auf monotonen Radarbildern möglichst schnell die “richtigen” Bombenziele zu finden. Diejenigen, die durch spezielle Elektroden eine halbe Stunde lang schwachen Gleichstrom über der rechten Stirn erhalten hatten, erkannten danach durchschnittlich 6 bis 7 mal mehr richtige als falsche Ziele. Wurde die gleiche Ausrüstung während der halbstündigen Sitzung dagegen nur für 30 Sekunden aktiviert, war die Zielerkennung nicht einmal halb so gut, und die Probanden identifizierten im Mittel nur 3 richtige Ziele für jedes falsche. Wie lange der Nutzen der Hirnstimulation anhält und ob man die Methode auch über viele Wochen hinweg immer wieder anwenden kann, ohne die Aufklärer zu gefährden soll als nächstes erforscht werden, kündigte McKinley an.
Auf die Idee, dass man den Gehirnen der Spezialisten womöglich auf die Sprünge helfen könnte, hatte die Militärs eine Studie von Vince P. Clark und dessen Kollegen vom Mind Research Network in Albuquerque (New Mexico) gebracht. Dort hatte man bei 96 Freiwilligen ebenfalls 30 Minuten lang mit zwei Milliampere Gleichstrom die rechte Seite des Stirnhirns angeregt. Nur eine Stunde später hatte sich die Reaktionszeit halbiert, binnen derer die Versuchsteilnehmer in einer vom Computer geschaffenen virtuellen Umgebung bedrohliche Gegenstände ausfindig machten. Das Geld für die in der Fachzeitschrift Neuroimage veröffentlichte Studie kam von der DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), der Forschungsbehörde der US-Streitkräfte. Die DARPA hat auch McKinleys Arbeit finanziert sowie mindestens acht weitere Studien, die auf der Tagung in Washington präsentiert wurden.
Nach einer Hirnstimulation konnten Bombenziele schneller erkannt werden (Foto: DARPA)
Eine der Fragen, für die die Militärs sich interessieren, sind die “neuralen Mechanismen des Leistungsvermögens in extremen Umgebungen”, so der Titel einer weiteren Untersuchung durch das “OptiBrain Consortium” im kalifornischen San Diego, dem Hauptquartier der US-amerikanischen Pazifikflotte. In dem Forschungsverbund arbeiten Seite an Seite Wissenschaftler der Universität von Kalifornien (UCSD), des Gesundheitsforschungszentrums der Marine (Naval Health Research Center, NHRC) sowie von deren “Spezialzentrum für Kriegsführung”(Naval Special Warfare Center); beteiligt ist aber auch das Olympia-Trainingszentrum im nahe gelegene Chula Vista. Erklärtes Ziel des Teams um den emeritierten Psychiatrie-Professor Martin P. Paulus ist es, “die geistigen Prozesse besser zu verstehen, die unter extremem Stress Vorteile bringen”.
Dazu haben die Forscher elf Mitglieder der Navy-Seals – einer Elitetruppe der US-Marine – in den Hirnscanner gelegt, und deren Reaktion auf unterschiedliche Gesichtsausdrücke erfasst. Zum Vergleich dienten 23 gleichaltrige Geschlechtsgenossen sowie 10 Extremsportler, die bei einer Kombination aus Orientierungs- und Langstreckenlauf (”Adventure Racing”) zu den besten gehörten. Beim Erkennen der unterschiedlichen Gesichtsausdrücke wie Angst, Wut oder Glück erwiesen sich die Hirne der Elitesoldaten wie auch der Extremsportler als besonders zielgerichtet. Sie aktivierten genauer und stärker als bei den Zivilisten den Insellappen (Insula) auf der rechten Seite des Gehirns, dagegen weniger stark den linksseitigen Insellappen. Dieses Areal ist kaum größer als eine Euro-Münze und liegt verdeckt von Stirn- und Schläfenlappen ungefähr dort, wo man anderen Menschen den Vogel zeigt.
Was die nachgewiesenen Unterschiede in der Hirnaktivität zwischen Elite- und “Normalmenschen” zu bedeuten haben, ist angesichts der vielfältigen Funktionen der Insula jedoch nur schwer zu interpretieren. Dieses Areal vermittelt zum Beispiel Geschmack und Ekel sowie Fairness und Mitgefühl, und die Insula beeinflusst auch die Aufmerksamkeit gegenüber Veränderungen. Die Sponsoren der Studie mussten sich daher mit einer eher mageren Beschreibung des Gesehenen bescheiden und mit der Behauptung, man habe “die Reaktion der rechtsseitigen Insula als einen möglichen neuralen Mechanismus für optimale Leistungen unter extremen Umständen” identifiziert.
Kriegsentscheidene Durchbrüche sehen anders aus, und auf der Konferenz in Washington standen der Handvoll rein militärischer Projekte etwa 15000 weitere Präsentationen aus allen Bereichen der Hirnforschung gegenüber. Dass die überwiegende Mehrzahl der 32000 Teilnehmer politisch eher der Demokraten-Partei des US-Präsidenten Barack Obama zuneigt, als dessen Vorgänger George W. Bush, der das Land in zwei Kriege geführt hat, ist ein offenes Geheimnis. Dazu passt auch ein politischer Vorstoß, den bereits im Vorjahr in San Diego auf der gleichen Konferenz Curtis Bell vom Neurological Sciences Institute der Universität Oregon gewagt hatte. Bell präsentierte dort einen Aufruf, wonach Neurowissenschaftler sich öffentlich dazu verpflichten sollten, mit ihrer Arbeit weder Folter noch Angriffskriege jedweder Art zu unterstützen. Immerhin: Mehr als 200 Hirnforscher aus 18 Ländern haben diesen Aufruf bislang unterschrieben. “Auch die Neurowissenschaften haben eine gute und eine schlechte Seite”, so Bell. “Wir sollten die dunkle Seite schwächen und weiter daran arbeiten, den Nutzen der Hirnforschung zu stärken.”
Quellen:
McKinley A et al. Acceleration of Air Force image analyst training using transcranial direct current stimulation (TDCS). Program No. 830.14. 2011 Neuroscience Meeting Planner. Washington, DC: Society for Neuroscience, 2011. Online.
Thom N. et al. Neural mechanisms of performance in extreme environments: Emerging evidence from warfighters and elite athletes. Program No. 830.14. 2011 Neuroscience Meeting Planner. Washington, DC: Society for Neuroscience, 2011. Online.
Bell, CC. Pledge of refusal to participate knowingly in applications of neuroscience to torture and aggressive war. Program No. 28.6. 2010 Neuroscience Meeting Planner. San Diego, CA: Society for Neuroscience, 2010. Online.
Weitere Informationen:
Die Zeitschrift “Synesis” hat dem Thema eine Schwerpunktausgabe gewidmet. Unter dem Titel “Neurotechnology in National Security, Intelligence and Defense” finden sich (auf englisch) neun Beiträge im Volltext online.
514 Millionen Menschen leben in Europa und jeder Dritte davon leidet mindestens einmal im Jahr an einer psychischen Störung. Diese Botschaft haben Experten um den Mediziner und Psychologen Hans-Ulrich Wittchen vergangenen Montag in Paris auf der Jahrestagung des European College of Neuropsychopharmakology (ECNP) verbreitet. Sie berufen sich dabei auf die „bislang umfassendste und zuverlässigste“ Studie zu diesem Thema. Mit einbezogen wurden sämtliche psychischen Erkrankungen sowie mehrere neurologische Leiden bei Kindern, Erwachsenen und älteren Menschen. Noch niemals zuvor habe man das gesamte Spektrum von Hirnerkrankungen in allen Altersgruppen gleichzeitig und in einer einzigen Studie derart gründlich erfasst, heißt es in der zugehörigen Pressemitteilung. Der 25-seitige Bericht wurde zeitgleich mit der Jahrestagung im Verbandsblatt European Neuropsychopharmacology veröffentlicht.
Erschreckend viele Europäer leiden an psychischen Krankheiten
„Es ist schlimmer als wir dachten“, kommentierte Studienleiter Wittchen, Vize-Präsident des ECNP und Direktor des Instituts für Klinische Psychologie und Psychotherapie an der Technischen Universität Dresden. Psychische Erkrankungen seien zur größten gesundheitlichen Herausforderung Europas im 21. Jahrhundert geworden, und mehr als ein Drittel (38,2 Prozent) der EU-Bevölkerung mindestens einmal im Jahr davon betroffen. Das entspricht 164,8 Millionen Menschen in Europa. Die häufigsten Leiden sind der neuen Statistik zufolge Angststörungen bei 14 Prozent der Bevölkerung, gefolgt von Schlaflosigkeit (7 %), Depressionen (6,9 %) sowie somatoformen Störungen, also körperlichen Leiden als Ausdruck einer psychischen Störung (6,3 %).
Mehr als vier Prozent aller Europäer sind außerdem abhängig von Alkohol und/oder Drogen. Bei Kindern und Jugendlichen zwischen sechs und 17 Jahren wurde mit fünf Prozent besonders häufig eine Aufmerksamkeitsdefizit/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) festgestellt. Außerdem leidet jeder Hunderste zwischen 60 und 65 Jahren an einer Demenz, und bei den Senioren über 85 Jahren sind es sogar 30 Prozent.
Im Vergleich mit einer ähnlichen Erhebung aus dem Jahr 2005 haben geistige Erkrankungen deutlich zugenommen – von damals 27,4 % auf jetzt 38,2 %. Allerdings wurden für die neue Auswertung auch zahlreiche zusätzliche Quellen genutzt und 14 Diagnosen hinzu gefügt, sodass „die neuen Daten nun das wahre Ausmaß geistiger Erkrankungen in allen Altersgruppen besser beschreiben“, heißt es in der Fachpublikation.
Die bereits 2005 festgestellten „notorisch niedrigen“ Behandlungsraten haben sich Angaben der ECNP zufolge nicht verbessert. Europaweit erhalte nur jeder Dritte psychisch Kranke eine angemessene Therapie und selbst in Deutschland mit einem der besten Gesundheitssysteme werde nur jeder zweite Patient „einigermaßen gut“ behandelt, sagte Wittchen. Er forderte eine frühzeitige, zielgerichtete Behandlung junger Patienten und eine engere Zusammenarbeit zwischen Psychiatern und Neurologen. „Die Krankheiten in beiden Bereichen haben viele Mechanismen gemeinsam und sie beeinflussen sich gegenseitig. Deshalb wird nur eine gemeinsame Vorgehensweise beider Disziplinen das Verständnis und die Therapie dieser Leiden verbessern.“
Erkrankungen des Gehirns würden weiterhin zu wenig beachtet und auch das mangelnde Wissen darüber stehe weiteren Fortschritten im Wege. „Deshalb brauchen wir dramatisch mehr Geld für die Erforschung der Ursachen und möglicher Therapien“, forderte Wittchen. Auch wirtschaftliche Gründe sprächen dafür: Gemessen an der Zahl verlorener Lebensjahre und unter Berücksichtigung der Lebensqualität (sog. DALYs) sind Krankheiten des Gehirns nämlich zur größten Belastung in der EU geworden. Sie verursachen mittlerweile mehr als ein Viertel aller Verluste, vor allem durch Depressionen und Demenz sowie durch die Folgen von Alkoholmissbrauch und Schlaganfällen.
„Wenigstens die Vögel werden schlauer“, war mein erster Gedanke angesichts einer Meldung, die das Senckenberg Forschungsinstitut heraus gegeben hat. Statt lahmer politischer Witze hier meine Kurzzusammenfassung der Forschungsarbeit, die gerade in dem Fachblatt „Biological Conservation“ erschienen ist: Unter 57 Singvogelarten, deren Bestand von ehrenamtlichen Beobachtern des Dachverbandes Deutscher Avifaunisten seit 1991 erfasst wird, haben sich die Arten mit größerem Gehirn in Ostdeutschland und in der Tschechischen Republik vermehrt. In Norddeutschland, das zum Vergleich diente, dagegen fand sich dagegen kein solcher Trend.
Kluge Vögel, wie diese Elster, haben sich nach dem Fall der Mauer im Osten vermehrt
Die Wissenschaftler um Professor Katrin Böhning-Gase vom Biodiversistät und Klima Forschungszentrum in Frankfurt a.M. hatten nach Zusammenhängen zwischen der Bestandsentwicklung und typischen Merkmalen der Vögel gesucht wie zum Beispiel deren Lebensraum und Ernährung, den Anforderungen ans Klima, dem Überwinterungsgebiet und schließlich auch der Größe des Gehirns im Verhältnis zum Körper insgesamt. Um aus der Pressemitteilung zu zitieren, die das Senckenberg heraus gegeben hat:
Dabei stießen die Wissenschaftler auf eine interessante Tatsache: Regionale Unterschiede in der Entwicklung einzelner Vogelarten hängen mit deren Gehirngröße zusammen. Wie die Studie zeigt, haben in Ostdeutschland die Bestände von Singvogelarten, deren Gehirn relativ groß ist, verglichen mit Norddeutschland seit 1989 / 1990 leicht zugenommen. In der Tschechischen Republik hat die Anzahl dieser Singvögel im Vergleich sogar stark zugenommen. Der Ost-West-Unterschied legt nahe, dass dies mit dem gesellschaftlich-wirtschaftlichen Umbruch in beiden Gebieten zusammenhängen könnte. „Die relative Größe des Gehirns wird als Indikator für die kognitiven Fähigkeiten eines Vogels angesehen. Der Bestandsanstieg solcher Singvögel lässt vermuten, dass Vögel mit guten kognitiven Fähigkeiten eher in der Lage sind, sich an schnell ändernde Umweltbedingungen anzupassen. Sie konnten damit die Chancen, die sich nach dem Ende des Kommunismus ergaben, besser für sich nutzen“,
so Böhning-Gase. Zu den Veränderungen, die seit dem Zusammenbruch des Kommunismus die Ausbreitung der Vögel beeinflusst haben sollen, zählt die Forscherin die Besiedelung der Städte und genauer: Die Rückkehr von Parks und Grünanlagen in die Innenstädte einerseits sowie den massiven Bau von Eigenheimen an den Stadträndern andererseits.Die neuen Lebensräume, die so entstanden sind, hätten die Vögel mit größerem Gehirn begünstigt, denn die könnten ihr Verhalten leichter anpassen und seien damit eher in der Lage, in der Nähe von Menschen zu leben. Zu den klügeren, oder jedenfalls anpassungsfähigeren Arten, die dabei aufgrund ihres relativ großen Gehirns im Vorteil sein sollen, gehören demnach Elstern, Eichelhäher und Meisen, wogegen der Dorngrasmücke „geringere kognitive Fähigkeiten“ bescheinigt werden.
Bessere kognitive Fähigkeiten erlauben die Eroberung neuer Lebensräume, erklären die Wissenschaftler. Allerdings frage ich mich, ob es nicht auch andere mögliche Gründe für den Trend geben könnte. Nach dem Fall der Mauer wurden doch nicht nur ein paar neue Häuser gebaut, sondern es hat sich fast alles verändert. Warum sind die Unterschiede zwischen Ost- und Norddeutschland vergleichsweise gering? Welchen Einfluss hatte zum Beispiel die Fütterung im Winter, die Veränderung des Verkehrs oder der Rückgang der Umweltverschmutzung – um nur ein paar Faktoren zu nennen?
Dass viele Fragen offen geblieben sind, haben indes auch die Forscher selbst erkannt und so schlagen sie vor „in Folgestudien den regionalen Fokus auszuweiten und den Zusammenhang zwischen sozioökonomischer Veränderung und Einfluss auf die Vogelbestände über viele Länder hinweg zu vergleichen.“ Von mir aus können sie das gerne tun, auch wenn der Vorschlag irgendwie nicht ganz uneigennützig zu sein scheint. Aber angesichts der Summen, die (ich kann mir den Hinweis nicht verkneifen) zur „Euro-Rettung“ verdummt werden, sollten wir nicht kleinlich sein und statt den Spekulanten lieber die Ornithologen unterstützen. Ich bin schon sehr gespannt, welche Zusammenhänge zwischen politischer Entwicklung und Hirngröße die Vogelforscher uns als nächstes präsentieren werden.
Schwangeren, die an einer Depression leiden und aus Angst vor Nebenwirkungen auf die Einnahme von antidepressiven Medikamenten während der Schwangerschaft verzichten wollen, kann mit einer Lichttherapie effektiv geholfen werden. Das meldet die Universität Basel in einer Pressemitteilung:
Etwa zehn Prozent aller Schwangeren leiden an einer behandlungsbedürftigen Depression. Unbehandelt kann diese Erkrankung nicht nur für die Mutter, sondern auch für das Ungeborene schwere Folgen haben, beispielsweise in Form von Frühgeburten, Geburtskomplikationen und niedrigem Geburtsgewicht. Aus Angst vor den Risiken und Nebenwirkungen möchten viele Frauen aber während der Schwangerschaft auf die Einnahme von antidepressiven Medikamenten verzichten. Psychotherapie und andere bei Depressionen eingesetzte Interventionen alleine helfen aber oft nicht ausreichend.
Wie Forschende der Universität Basel nun in einer vom Schweizerischen Nationalfonds unterstützten Studie belegen, könnte Lichttherapie eine Behandlungsalternative sein. Lichttherapie hat sich in der Behandlung von verschiedensten Formen von Depressionen bereits bewährt; zudem ist sie für das Ungeborene ungefährlich. Deshalb haben Ärztinnen und Ärzte sowie Forschende der Universitären Psychiatrischen Kliniken Basel und der Universitäts-Frauenklinik Basel unter der Leitung von Prof. Dr. Anna Wirz-Justice und Prof. Dr. Anita Riecher-Rössler die Wirksamkeit der Lichttherapie für depressive Erkrankungen in der Schwangerschaft untersucht.
Bei Schwangeren, die an der Universitäts-Frauenklinik Basel sowie in verschiedenen gynäkologischen Praxen in Behandlung waren und eine depressive Symptomatik zeigten, wurden in der Psychiatrischen Universitäts-Poliklinik weitere Abklärungen getroffen. Davon haben sich 27 Schwangere, die die Kriterien einer schwereren depressiven Erkrankung erfüllten, nach ausführlicher Aufklärung an der Studie beteiligt. Sie wurden zufällig entweder mit weissem Licht (7000 Lux) oder mit gedämpftem roten Licht (70 Lux, Placebo) während fünf Wochen jeden Morgen eine Stunde lang zu hause behandelt. Die Studie wurde doppelblind durchgeführt, sodass weder die Patientin noch ihre Psychiater wussten, ob die Frauen eine wirksame Lampe erhalten hatten oder nicht. Die depressive Symptomatik der Probandinnen wie auch eventuelle Nebenwirkungen wurden wöchentlich mit verschiedenen Fragebögen erfasst.
Die Lichttherapie mit hellem Licht erwies sich der Placebo-Therapie mit schwachem Licht gegenüber als deutlich überlegen. Schon nach fünf Wochen zeigten die Schwangeren mit Lichttherapie in 81 % der Fälle eine deutliche Besserung, 69 % waren symptomfrei, während die entsprechenden Zahlen in der Placebo-Gruppe nur bei 46 % bzw. 36 % lagen. Die Lichttherapie könnte damit eine einfache, kosteneffektive Therapie bei Depression in der Schwangerschaft darstellen – mit minimalen Nebenwirkungen und ohne bekanntes Risiko für das Ungeborene.
Einen Zusammenhang zwischen der politischen Einstellung und der Ausprägung bestimmter Hirnstrukturen haben mehrere Forscher aus London gefunden. Wie sie in der online-Ausgabe der Zeitschrift Current Biology berichten, war bei Studenten, die sich als freiheitlich (engl. „liberal“) bezeichneten der vordere Bereich des so genannten Gyrus cinguli vergrößert. Konservative hatte dagegen einen größeren Mandelkern (Amygdala).
Für seine Forschung hatte Geraint Rees vom University College London mit seinem Kollegen Ryota Kanai 90 Studenten zunächst einen Fragebogen ausfüllen lassen, in dem sie ihre politische Orientierung notierten, und dann die Hirne der freiwilligen Versuchspersonen mit Hilfe der funktionellen Kernspintomografie vermessen. Das Ergebnis deckt sich einerseits mit den bekannten Aufgaben der auffälligen Hirnregionen und andererseits mit früheren psychologischen Untersuchungen. Demnach sind Menschen mit eher liberalen Einstellungen besser in der Lage, widersprüchliche Informationen zu verarbeiten, was eine Funktion des Gyrus cinguli ist. Konservative können dagegen Bedrohungen leichter erkennen – und die werden im Mandelkern registriert und bewertet.
„Man wusste bereits, dass bestimmte psychologische Merkmale Rückschlüsse auf die politische Orientierung erlauben“, erklärte Kanai. „Unsere Studie hat nun einen Zusammenhang zwischen diesen Persönlichkeitsmerkmalen und bestimmten Hirnstrukturen nachgewiesen.“ Offen ist laut Kanai noch die Frage, ob die politische Einstellung die Größe der identifizierten Hirnregionen beeinflusst, oder ob umgekehrt erst die mehr oder weniger starke Ausprägung von Gyrus cinguli und Mandelkern der Entwicklung liberaler oder konservativer Denkweisen voraus geht. Natürlich sei die schematische Unterteilung der Politik in Links und Rechts eine grobe Vereinfachung, räumt Kanai ein. „Prinzipiell lässt sich diese Methode aber auch nutzen, um Zusammenhänge zwischen Hirnstrukturen und anderen Denkweisen aufzudecken.“ Vielleicht könnten die Unterschiede im Denkorgan ja auch erklären, warum manche Menschen sich überhaupt nicht für Politik interessieren, oder warum der eine lieber einen Apple-Computer kauft und der andere lieber einen PC.
Den Anstoß zur Forschungsarbeit von Rees und Kanai hatte der britische Schauspieler Colin Firth gegeben, der zusammen mit dem Wissenschaftskorrespondenten der BBC, Tom Feilden in einer Radiosendung Ende 2010 nach Unterschieden in der Hirnstruktur zwischen Politikern unterschiedlicher Parteien gefragt hatte und dazu den Konservativen Abgeordneten Alan Duncan und den Labour-Abgeordneten Stephen Pound gewinnen konnte. Der Ex-Liberale Firth hatte damals als Grund für seinen Wissensdurst der Zeitung Daily Mail verraten: „Ich wollte einfach nur herausfinden, was nicht stimmt mit der Biologie bei Leuten, die andere Ansichten haben als ich.“
Nun ist es offiziell: Patienten, die an der Parkinson´schen Krankheit leiden, kann mithilfe einer Gentherapie geholfen werden. Dies zeigt die erste erfolgreiche Studie, bei der diese Methode mit Placebo verglichen wurde. 16 Patienten, denen man gentechnisch veränderte Viren ins Gehirn injiziert hatte, verbesserten sich auf einer gebräuchlichen Bewertungsskala binnen eines halben Jahres um durchschnittlich 23 Prozent. Zwar verbesserte sich auch die Beweglichkeit von 21 weiteren Patienten, die lediglich eine Scheinoperation erhielten. Hier betrug der Unterschied zur Ausgangssituation jedoch im Mittel nur 13 Prozent.
Eher skeptisch: Prof. Wolfgang Oertel, Direktor der Klinik für Neurologie an der Uni Marburg und neuer Präsident der Deutschen Gesellschaft für Neurologie (Foto: Gust)
Wenig euphorisch reagierte indes auf diese Nachricht einer der führenden Parkinson-Experten Deutschlands, Prof. Wolfgang Oertel, Direktor der Klinik für Neurologie am Universitätsklinikum Marburg: „Die hier vorgestellte Therapieform ist noch nicht über den Status eines erfolgreichen Experimentes hinaus gekommen“, so Oertel in einer Pressemitteilung der Deutschen Gesellschaft für Neurologie (DGN), deren Präsident er ist. Und weiter: „Patienten sollten sich keine kurzfristigen Hoffnungen machen und zunächst weiterhin auf eine Reihe bereits etablierter und sicherer Behandlungsverfahren setzen.“
Trotz Medikamenten hatte sich der Zustand der zwischen 30 und 75 Jahre alten Patienten immer weiter verschlechtert, berichten die Studienautoren um Michael Kaplitt vom Weil Cornell Medical Center in der Fachzeitschrift Lancet Neurology. Sie litten zunehmend unter den typischen Symptomen der Krankheit wie Zittern (Tremor), Steifigkeit (Rigor) und verlangsamten Bewegungen (Dyskinesie). Daher habe man versucht, die fortscheitende Unterversorgung bestimmter Hirnregionen mit dem Botenstoff GABA durch die Infusion von Milliarden gentechnisch veränderter Viren in den so genannten Nukleus subthalamicus zu beheben, einen tief im Gehirn gelegenen Nervenknoten. Dem Eingriff waren jahrzehntelange Experimente in Zellkulturen, mit Versuchstieren und schließlich auch mit menschlichen Patienten voraus gegangen. Dabei hatten schwedische und US-amerikanische Arbeitsgruppen wiederholt Verbesserungen gemeldet, bei denen aber nicht auszuschließen war, dass sie eine Folge des so genannten Placebo-Effekts waren, bei dem bereits die Erwartungshaltung des Patienten eine Verbesserung bewirkt. Die wenigen kleinen Placebo-kontrollierten Studien wiederum hatten die anfänglichen Erfolgsmeldungen nicht bestätigen können.
Vergleich mit Scheinoperation
In der aktuellen Studie konnte nun erstmals eindeutig gezeigt werden, dass der Behandlungserfolg nicht alleine durch den Placeboeffekt erklärt werden kann. Tatsächlich verbesserte sich nach der Infusion der Viren die Beweglichkeit der Patienten auf der Skala UPDRS um 10 Prozentpunkte mehr als in der Vergleichsgruppe, bei der die Ärzte lediglich ein Loch in die Schädeldecke gebohrt hatten und bei der die Patienten selbst nicht wussten, ob sie eine echte Behandlung bekamen oder lediglich eine Scheinoperation.
Angesichts des eindeutigen Unterschiedes zugunsten jener Patienten, die eine echte Behandlung bekommen haben, sehen die beteiligten Wissenschaftler in der Gentherapie eine neue Alternative zur herkömmlichen Behandlung mit Medikamenten oder chirurgischen Eingriffen. Auch sei die Methode eine erfolgversprechende Option bei anderen neurologischen Erkrankungen. Die Forscher merken aber auch an, dass es bezüglich der Dyskinesien und der Lebensqualität keine bedeutsamen Unterschiede zwischen den beiden Vergleichsgruppen gegeben habe.
Auch deshalb gibt DGN-Präsident Oertel sich eher skeptisch: Die erzielte Wirkung sei auch nicht besser als mit einigen milden bis mittelstarken Medikamenten, die den Ärzten zur Verfügung stehen, auch müsse das Ergebnis der Studie an einer größeren Anzahl bestätigt werden. „Zusammenfassend ist diese Studie also von hohem wissenschaftlichen Interesse, für die Behandlung der Parkinson-Patienten im Jahre 2011 hingegen hat sie noch keine therapeutische Bedeutung.“
Gefeiert wird er meist als Bioingenieur und als Pionier der Optogenetik, der dieser neuen und mächtigen Methode zu Untersuchung neuronaler Schaltkreise binnen weniger Jahre zum Durchbruch verhalf. Doch als Psychiater ist Karl Deisseroth auch in der medizinischen Praxis tief verwurzelt. Mindestens einmal in der Woche sieht er Patienten, die unter Depressionen leiden, unter Schizophrenie und anderen bislang kaum verstandenen Gemütskrankheiten. „Erst allmählich kommen wir über den Punkt hinaus, wo wir psychiatrische Erkrankungen als biochemische Probleme begreifen, die durch das Ungleichgewicht bestimmter Botenstoffe entstehen“, sagt Deisseroth. Er hält diese Vorstellung für grob und ungenau und er vermutet, dass die Ursachen vielmehr in der Art und Weise liegen könnten, wie spezifische Nervenschaltkreise miteinander verbunden sind. In der Optogenetik, sieht Deisseroth deshalb auch ein neues Instrument, um die Funktion dieser Nervenschaltkreise aufzuklären und Störungen durch gezielte Stimulierung zu beseitigen.
Zwar ist die tiefe Hirnstimulation mit implantierten Elektroden bei fortgeschrittenen Parkinsonpatienten bereits ein etabliertes Verfahren, und es gibt auch erste Erfolgsberichte zur Behandlung von Depressionen mit dieser Methode. Charles Nemeroff von der Emory University School of Medicine etwa löste damit bei seinen Patienten eine „plötzliche Leichtigkeit“ aus. Sie berichteten vom „Verschwinden der Leere“ oder einem „plötzlichen Aufhellen des Raumes mit schärferen Details und intensiveren Farben“. Diese Ansätze seien aber zu ungenau und mit zu vielen Nebenwirkungen behaftet, meint Deisseroth. Ganze Hirnregionen oder Nervenknoten mit Elektroden zu stimulieren sei „wie ein Dirigent, der gleichzeitig das gesamte Orchester antreibt, anstatt die Flöten zu fordern und die Pauken zu dämpfen. Elektroden sind schnell, aber dumm.“
Dass es auch anders geht, hat Herbert Covington im Labor des renommierten Psychiaters Eric Nestler an der Mount Sinai School of Medicine in New York bereits im Tierversuch mit Mäusen demonstriert. Er erzielte mithilfe der Optogenetik bei gestressten Nagern mit Lichtblitzen eine ähnliche Wirkung wie mit Antidepressiva. Die Tiere, die vorher soziale Kontakte verweigert hatten, erlangten wieder ihr normales Artverhalten, nachdem Covington und dessen Kollegen Neuronen des präfrontalen Cortex stimuliert hatten.
Auch Garret Stuber und Antonello Bonci haben bereits einen optogenetischen Schalter in das Gehirn von Mäusen eingesetzt. Am Ernest Gallo Clinic and Research Center der University of California San Francisco untersuchten sie damit einen neuronalen Schaltkreis, der an der Regulation des Suchtverhaltens beteiligt ist. Dazu nahmen die Forscher eine anatomische Verbindung ins Visier, die sich tief im Hirn von der Amygdala entlang spezifischer Nervenfasern bis zu den Neuronen des Nucleus accumbens im Vorderhirn erstreckt. Als sie den Tieren die Gelegenheit gaben, mit der Nase auf einen Kopf zu drücken und damit einen Lichtstrahl zu erzeugen, der jene Neuronen im Nucleus accumbens aktivierte, begannen die Tiere wie wild sich selbst zu stimulieren. Das Experiment bestätigte somit die zentrale Bedeutung der Zielregion des optischen Schalters für das Suchtverhalten.
Mithilfe der Optogenetik, fasst Deisseroth zusammen, bewege sich die Psychiatrie in Richtung einer Netzwerk-Wissenschaft, die komplexe Hirnfunktionen inklusive des Verhaltens als Eigenschaften eines Systems interpretiert, die aus der elektrochemischen Dynamik der Zellen und Nervenschaltkreise erwachsen. „Als Arzt“, fügt er hinzu, „finde ich diese Entwicklung faszinierend.“
Dieser Artikel erschien in englischer Übersetzung im Magazin Futura, dem Magazin des Boehringer Ingelheim Fonds, Stiftung für Medizinische Grundlagenforschung
Man nehme: Die Standardausrüstung eines modernen, molekularbiologischen Labors und eine Handvoll technisch versierter Mitarbeiter der unterschiedlichsten Disziplinen. Dazu gebe man Erbanleitungen für lichtempfindliche Eiweiße aus Grünalgen und Archaebakterien sowie synthetische Gene, die aktivierte Nervenzellen leuchten lassen. Diese Genkonstrukte schleuse man mit Hilfe ausgewählter Viren und eines stereotaktischen Leitsystems punktgenau in die zu untersuchende Region des Gehirns einer Maus oder einer Ratte. Anschließend schiebe man in die gleiche Region eine Glasfaser und verbinde diese auf der Schädeloberfläche sorgfältig mit einem miniaturisierten, durch einen Signalgenerator kontrollierten Laser sowie mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zum Nachweis veränderter optischer Signale…
Wie ein ausgefeiltes Kochrezept liest sich das Protokoll für Wissenschaftler, die mithilfe der Optogenetik die Nervenschaltkreise des Gehirns untersuchen wollen. Die gesamte Prozedur könne in nur vier bis fünf Wochen abgeschlossen sein, versprechen die Autoren um Karl Deisseroth in ihrer 18-seitigen Anweisung, die sie kürzlich über das Fachmagazin Nature Protocols allen Interessierten zur Verfügung stellen. Mehr als 700 Laboratorien aus aller Welt haben mittlerweile von deren Labor am Departement for Bioengineering der Stanford University die notwendigen Reagentien angefordert. Deisseroth war nicht nur der Namensgeber der von Nature zur „Methode des Jahres 2010“ gewählten Technik, er ist auch fest davon überzeugt dass sie „neue Landschaften für das Studium der Biologie eröffnen wird“.
Dieser Artikel ist erschienen in englischer Übersetzung im Magazin Futura des Boehringer Ingelheim Fonds, Stiftung für Medizinische Grundlagenforschung
Im schwarzen, aber lässigen Anzug und mit dem Charisma eines großen Entertainers betritt Sebastian Seung die Bühne. Eindringlich beschwört der Professor des Massachusetts Institute of Technology (MIT) seine Zuhörer, während im Hintergrund jene vier Buchstaben auf der Leinwand flackern, die längst zum Symbol des Genzeitalters geworden sind: A, T, C und G. Auf der Leinwand scheint die Abfolge dieser Buchstaben endlos und zufällig zugleich, doch jedes Kind lernt heute in der Schule, dass dieser Code Erbinformationen darstellt – Bauanleitungen für Biomoleküle, Regeln für Wachstum und Entwicklung, und immer wieder auch Schwachstellen und „Druckfehler“, die uns anfällig machen für Krankheiten aller Art.
Aber Seung ist kein Genetiker. Und er glaubt auch nicht daran, das Schicksal des Menschen liege in seinen Genen, wie das der Nobelpreisträger James Watson einstmals im Überschwang formuliert hat, bald nachdem er zusammen mit Francis Crick die Struktur und Funktionsweise des Erbmoleküls DNS erkannt hatte.
„Ich bin nicht meine Gene“, lässt Seung stattdessen sein Publikum skandieren. Und nochmal, aber lauter: „Ich bin nicht meine Gene“. Dem Laborleiter an der Abteilung Brain and Cognitive Sciences des MIT und Chef von bald 20 hochtalentierten Wissenschaftlern der verschiedensten Disziplinen macht es offenbar großen Spaß, seine Zuhörer auf der TED-Konferenz im kalifornischen Long Beach zu verblüffen. In jeweils nur 18 Minuten sollen „die faszinierendsten Denker und Macher der Welt“ hier ihre Ideen präsentieren und „den besten Vortrag ihres Lebens“ halten – so lautet die Spielregel der gemeinnützigen Organisation. Seungs Idee lautet: „Ich bin mein Konnektom“. Und um zu erklären, was dies bedeutet, ist er hierhergekommen.
So wie die Summe aller Gene eines Lebewesens dessen Genom darstellt, entspricht das Konnektom der Summe aller Verbindungen zwischen dessen Nervenzellen. Sie definieren, davon ist Seung fest überzeugt, die menschliche Persönlichkeit mit all ihren Eigenheiten, Stärken wie Schwächen. Ich bin mein Konnektom, also definiert mein Konnektom mein „Ich“.
Schon in den 1960er Jahren hatte der Nobelpreisträger Eric Kandel bei Versuchen mit der Meeresschnecke Aplysia gezeigt, dass Erfahrungen und Lernvorgänge die Stärke der Verbindungen zwischen Nervenzellen verändern. 50 Jahre später sind die meisten Wissenschaftler davon überzeugt, dass auch unsere Erfahrungen sich in so genannten neuronalen Schaltkreisen niederschlagen – in der Zahl und Art der beteiligten Nervenzellen und in der Stärke der Verbindungen zwischen diesen Zellen. Hunderte von Labors versuchen inzwischen unter Einsatz der modernsten Techniken eine Brücke zu schlagen zwischen den Vorgängen in diesen Schaltkreisen und Phänomenen wie Wahrnehmung, Erkenntnis und Verhalten. Das Thema ist heiß, wie auch die 103. Titisee-Konferenz des Boehringer Ingelheim Fonds, Stiftung für medizinische Grundlagenforschung beweist. Mehr als 50 Experten aus den führenden Laboren der Welt hatten dabei im März 2011 vier Tage lang die neuesten Erkentnisse ausgetauscht.
Das letzte erfolgreiche wissenschaftliche Großprojekt war die Entzifferung des menschlichen Genoms mit seinen drei Milliarden „Genbuchstaben“ und 30000 Genen. Zehn Jahre hat es gedauert und drei Milliarden Dollar gekostet für einen ersten Entwurf, dessen Vollendung der frühere US-Präsident Bill Clinton mit einer Sondersendung aus dem Weißen Haus zelebrierte. Gleichwohl verblasst das Humangenomprojekt ebenso wie die Mondlandung gegenüber den Herausforderungen, denen Seung mit seinen Kollegen gegenüber steht: 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen) enthält unser Denkorgan, und jede dieser Zellen kann bis zu 10000 Kontakte zu ihren Nachbarzellen aufnehmen. Dass „unsere Gehirne aussehen wie Spagetti“, wie Seung seinen Zuhörern in Long Beach mit dem Bild eines großen Tellers voller Pasta veranschaulicht, macht die Sache nicht leichter. Das menschliche Gehirn ist die komplexeste Struktur im bekannten Universum.
Noch vor 50 Jahren erschien es den meisten Forschern geradezu frivol, auch nur die Aktivierung einiger kleiner Nervenschaltkreise im Detail verfolgen zu wollen oder gar – Gipfel der Anmaßung – eine Verbindung herzustellen zwischen den Erregungszuständen dieser Schaltkreise und komplexen Verhaltensweisen wie Nahrungsaufnahme, Partnersuche und dem Unterhalt sozialer Beziehungen.
Tatsächlich ist es bereits gelungen, sämtliche Verbindungen sämtlicher Nervenzellen zu kartieren – allerdings „nur“ bei einem winzigen Modellorganismus, dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans. Wie das Telefonnetz eines Dorfes sieht dessen Konnektom aus, mit immerhin 7000 Verbindungen zwischen den exakt 302 Nervenzellen des kleinen Wurms. Ungezählte Doktoranden, die den durchsichtigen, nur einen Millimeter kleinen Organismus durch ihre Mikroskope betrachteten, wurden während der 1970er und 1980er Jahre über dieser Arbeit zu Brillenträgen. Dann stieß man nicht nur an die Grenzen es menschlich Zumutbaren, sondern auch des technisch Möglichen.
An der Grenze des technisch Möglichen steht auch Seung, doch hat er diese Grenzen zusammen mit Jeff Lichtmann und Kenneth J. Hayworth vom Harvard Center for Brain Science bereits mehrmals verschoben. So konnten die Wissenschaftler mit einer mehreren Millionen Dollar teuren, von Hayworth entwickelten Schnittmaschine die Gehirne von Mäusen nicht nur in buchstäblich hauchdünne Scheiben von drei Nanometer Tiefe zerlegen. Sie nutzen vielmehr auch ein weitgehend automatisiertes Verfahren, um aus den seriellen Dünnschnitten im Computer wieder dreidimensionale Würfelchen zusammen zu setzen. Unverzichtbarer Teil der Ausrüstung sind dabei spezielle Elektronenmikroskope, die am Heidelberger Max-Planck-Institut für Biomedizinische Forschung von Winfried Denk und Heinz Horstmann entwickelt wurden. Sie erlauben es, jene Nervenschaltkreise darzustellen, die durch miteinander verbundene Neuronen charakterisiert sind. Schließlich hilft bei dieser Herkules-Aufgabe auch noch eine von Seungs Studenten Viren Jain und Srini Turaga entwickelte Software, die auf dem Prinzip der künstlichen Intelligenz basiert und die anhand der Vorgaben der Forscher dazulernen kann, bis sie viele Aufgaben ohne fremdes Zutun alleine erledigt.
Trotz dieser Erleichterungen liegen aber noch etliche Größenordnungen zwischen Seungs digitalisierten Miniwürfeln aus eng gepackten Nervenzellen mit ihren derzeit gerade einmal sechs Mikrometer Kantenlänge und einem vollständigen Gehirn – und sei es nur das einer Fliege.
Am Institut für Molekulare Pathologie in Wien rückt Barry Dickson der Schwarzbäuchigen Taufliege – besser bekannt unter ihrem lateinischen Namen Drosophila melanogaster – daher mit einem ganz anderen Bündel von Methoden auf den Leib. Dickson verwaltet die weltweit größte Sammlung von Drosophila-Mutanten. Es sind Tausende von Stämmen, bei denen jeweils ein einziges Gen mit molekularbiologischen Tricks ausgeschaltet oder verändert wurde. „Wir wollen verstehen, wie die Informationsverarbeitung in definierten neuralen Schaltkreisen zu komplexen Verhaltensmustern führt“, erklärt Dickson das Ziel seiner 30-köpfigen Arbeitsgruppe. Besonders interessiert sich der Australier dabei für das Paarungsverhalten der Fliege. Also für Sex.
Wie bei anderen Verhaltensweisen auch erhält das Gehirn dabei Signale aus der Innen- und Außenwelt durch eine Vielzahl von Sensoren. Signale, die sowohl untereinander als auch mit früheren Erfahrungen in Einklang gebracht werden müssen. Wenn das Fliegenmännchen also die Dame seiner Wahl umtanzt und mithilfe seiner vibrierenden Flügel ein „Liebeslied“ vorträgt, wenn sie sich ziert und er sich müht, und wenn dieses Spiel schlussendlich zur Vermählung führt, dann – so glaubt nicht nur Dickson – sind dabei zumindest auf der Ebene der Gene und der Zellen die gleichen Mechanismen und Prinzipien zugange, wie bei anderen Vertretern des Tierreiches. Bis hin zum Menschen.
„Es geht um komplexe Entscheidungen die von komplexen Gehirnen getroffen werden“, erklärt Dickson. An Fliegen jedoch kann man, anders als beim Menschen, eine Vielzahl genetischer Werkzeuge einsetzen, um die beteiligten Neuronen zu identifizieren und zu manipulieren. Molekulargenetik und Elektrophysiologie treffen sich hier mit ausgefeilten Computeranalysen und der Optogenetik, die Lichtstrahlen benutzt um neurale Schaltkreise zu aktivieren und zu vermessen.
Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Erbanlagen und Nervenzellen hat Dicksons Team besonders intensiv an dem Gen fruitless untersucht. Obwohl bei Männchen und Weibchen die gleichen Erbinformationen vorliegen, erstellt die Maschinerie der Zellen daraus unterschiedliche Blaupausen. Zwingt man Männchen, weibliche Transkripte von fruitless zu erstellen, so verhalten die Tiere sich eher wie Weibchen. Auch die spiegelbildliche genetische Manipulation haben Dicksons Mitarbeiter schon vorgenommen – und den Fliegenweibchen dadurch das Paarungsverhalten des anderen Geschlechts aufgezwungen.
Getrieben wird das unterschiedliche Verhalten von Männlein und Weiblein offenbar von 2000 Nervenzellen, in denen fruitless abgelesen wird und deren „Schaltplan“ mittlerweile vollständig und dreidimensional kartiert wurde. Die fruitless-Neuronen indes unterscheiden sich in etwa 100 verschiedene Typen. Eine der nächsten Aufgaben, die Dickson mit seinem Team in Angriff nehmen will, ist deshalb die gezielte Manipulation einzelner Subpopulationen in dem Schaltkreis. Ziel ist es herauszufinden, welchen Anteil am Paarungsverhalten die unterschiedlichen Neuronen haben, welche biochemischen und elektrischen Signale hier verarbeitet werden und ob sich dabei Unterschiede zwischen Fliegenweibchen und –Männchen dingfest machen lassen. Schon haben die Wissenschaftler elf anatomische Dimorphismen im fruitless-Schaltplan gefunden: Subtypen von Nervenzellen, die entweder ausschließlich oder gehäuft bei Männchen vorkommen oder deren Verzweigungen bei Männchen und Weibchen unterschiedlich aussehen.
Die anfängliche Verarbeitung von Umweltreizen und die Steuerung der Bewegungen sind bei den Drosophila-Geschlechtern offenbar sehr ähnlich organisiert. Dank der neuen Techniken aber konnte Dicksons Team womöglich zeigen, warum Männchen und Weibchen sich dennoch unterschiedlich verhalten: Die entscheidende Rolle spielen dabei offenbar dimorphische neurale Schaltkreis im Gehirn, die einkommende Signale mit den Befehlen zur Bewegungssteuerung verbinden. Der Unterschied zwischen den Geschlechtern in diesen Schaltkreisen erklärt vermutlich, warum Männchen und Weibchen unterschiedliche Dinge tun, wenn sie die gleichen Signale empfangen.
Maximal 150 000 Nervenzellen birgt das Fliegenhirn, immerhin 700 000 Mal so viele das unsrige. Die Zahl der Verbindungen im menschlichen Denkorgan wird sogar auf eine Billion geschätzt. Ist es da nicht fahrlässig, von Fliegen auf Menschen zu schließen?“ Ich weiß, dass Menschen komplizierter sind als Fliegen“, antwortet Dickson diplomatisch. „Aber einige Gesetzmäßigkeiten in der Funktion der Nervenzellen haben wir wahrscheinlich mit ihnen gemeinsam. Unser Ziel ist es, diese gemeinsamen Prinzipien zu enträtseln.“
Auch das Gedächtnis funktioniert bei Fruchtfliegen und Mäusen wohl nicht anders als bei Menschen. Viel Aufmerksamkeit erntete deshalb Michael Häusser vom Wolfson Institute for Biomedical Research des University College London, als er Beweise für eine lange gehegte Vermutung präsentierte: Beim Lernen werden Gedächtnisinhalte in Form spezifischer Gruppen aktivierter Neurone kodiert, die zusammen ein Netzwerk bilden.
In seinem Experiment hatte Häusser Mäusen beigebracht, einem Ton mit einem darauf folgenden leichten Stromschlag in Verbindung zu bringen, sodass die Nager anschließend schon beim Erklingen des Geräuschs aus Angst regelrecht erstarrten. In die Gehirne der Tiere hatten die Forscher zuvor ein synthetisches Gen eingeschleust. Es wird nur in aktivierten Zellen eingeschaltet und bildet dann gleichzeitig ein lichtempfindliches Eiweiß sowie ein weiteres, grün leuchtendes Eiweiß als „Reporter“ für dieses Ereignis. Mit blauem Laserlicht, das die Forscher durch eine Glasfaser in die Hirnstruktur des Hippocampus lenkten, gelang es anschließend, jene Neurone zu aktivieren, die an der Gedächtnisbildung beteiligt waren. Auch ohne das Angst-auslösende Tonsignal erstarrten nun die Mäuse.
„Nur mit einem Lichtblitz ist es uns gelungen, das Gedächtnis der Tiere wieder zu aktivieren“, freut sich Häusser über die Leistungsfähigkeit der Optogenetik. Etwa zwei Millionen Neuronen liegen im Gyrus dentatus, jener Region des Hippocampus, die Häusser untersucht hat. Ungefähr 200 000 werden aktiviert, wenn die Mäuse Angst bekommen und lernen, dass dem Tonsignal ein Stromstoß folgt. Dennoch reichte es aus, weniger als 100 Neuronen und in manchen Experimenten sogar nur 20 mit dem Laser zu bestrahlen, um die gelernte Lektion abzurufen und die totale Erinnerung zu erreichen.
In Gedanken und vor Publikum spielt auch Sebastian Seung mit der „Totalen Erinnerung“. Allerdings denkt der Konnektomics-Pionier dabei an Menschen und nicht an Mäuse. Und für sein Gedankenspiel nimmt er den Begriff „Totale Erinnerung“ wörtlich: Der ultimative Test für seine Theorie könnte der Versuch sein, die vollständigen Erinnerungen aus einem menschlichen Gehirn auszulesen. „Wir lachen über die Leute, die ihren toten Körper einfrieren lassen in der Hoffnung, die Medizin der Zukunft werde ihre Persönlichkeit zu neuem Leben erwecken. Aber wer weiß – vielleicht stehen diese Leute ja eines Tages an unseren Gräbern und lächeln über uns?“
Dieser Artikel ist erschienen in englischer Übersetzung in Futura, dem Magazin des Boehringer Ingelheim Fonds (Ausgabe 26, 1/2011).
