Hirnforschung: „Wir wollen das Gesamtbild zeigen“

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Ein Interview mit Dr. Sarah Genon über einen neuen Ansatz zur Untersuchung der Funktionen von Hirnregionen

Sehen heißt nicht verstehen. Mit dieser knappen Formel kann man vielleicht am besten das Problem umschreiben, das viele Forscher in den Neurowissenschaften umtreibt. Als in den 1990er Jahren bildgebende Verfahren wie die funktionelle Magnetresonanztomographie aufkamen, erschien es zunächst nur noch eine Frage der Zeit, bis man versteht, wie wir Sprache verarbeiten, Sätze formen und Erinnerungen im Kurz- und Langzeitgedächtnis abspeichern. Heute fällt die Einschätzung vieler Wissenschaftler deutlich nüchterner aus. Kaum ein Konzept aus der Psychologie, Philosophie oder Soziologie ließ sich bislang eindeutig biologischen Prozessen und Strukturen im Gehirn zuordnen.

Sarah Genon Quelle: privat

Die Neurowissenschaftlerin Dr. Sarah Genon, die am Forschungszentrum Jülich und Uniklinikum Düsseldorf forscht, spricht gar von einem „konzeptuellen Chaos“. Im europäischen Human Brain Project leitet sie das Teilprojekt „Multimodaler Vergleich von Gehirnkarten“. Gemeinsam mit Prof. Simon Eickhoff vom Forschungszentrum Jülich und Universitätsklinikum Düsseldorf schlägt sie einen neuen Ansatz vor, der es ermöglichen könnte, große Datensätze zu erschließen und die Forschung auf lange Sicht ein gutes Stück voranzubringen.

Bis vor Kurzem waren Sie in der Alzheimerforschung aktiv. Dann wechselten Sie und beschäftigten sich mit Verhaltensfunktionen. Ein Gebiet, das viele Einzelergebnisse aufweist, die aber bislang noch kein klares Bild ergeben. Was hat Sie daran interessiert?

Während meiner Promotion habe ich neuronale Korrelate von kognitiven Funktionsstörungen untersucht, die bei Alzheimer-Patienten auftreten. Ich habe dafür viele verschiedene Gehirn-Verhalten-Ansätze und statistische Analysen verwendet. Als ich mit der Datenanalyse anfing, war aufgrund der kognitiven Leistung klar, dass die Patienten große Defizite in vielen Gedächtnis-bezogenen Prozessen aufwiesen. Als ich die kognitiven Daten mit Hirndaten aus verschiedenen Studien in Beziehung setzte, sah ich sehr komplexe Muster. Um es einfach zu sagen: Es gab keinen klaren, unkomplizierten Zusammenhang zwischen einer bestimmten Art von kognitiven Verhaltensstörung und einem Muster von Veränderungen im Gehirn. Daher beschloss ich, einen Schritt zurückzugehen und zunächst zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert, was es tut und wie wir die Beziehung zwischen Hirn und Verhalten untersuchen sollten.

Der technische Fortschritt ermöglicht einen immer schärferen Blick ins menschliche Gehirn. Gleichzeitig gibt es immer wieder Kritik, dass die Forschung in vielen Fragen keinen großen Schritt weiter gekommen sei. Wo liegen die Probleme?

Eine große Frage ist immer noch offen: Was macht das Gehirn und wie tut es das? Einige Forscher-Communitys untersuchen die Struktur des Gehirns. Nach mehr als einem Jahrhundert Arbeit an der Charakterisierung der Gehirnanatomie gibt es überzeugende Beweise dafür, dass die verschiedenen Regionen verschiedene Mikroarchitekturen haben und in Netzwerken organisiert sind. Entsprechend wird allgemein angenommen, dass Hirnregionen relativ spezialisierte Funktionen haben, aber auch zusammen arbeiten und Informationen austauschen. Also ist die nächste Frage: Wie wirkt sich das auf das menschliche Verhalten aus? Das wird in vielen verschiedenen Feldern untersucht, vor allem in den psychologischen Fachrichtungen. Durch Beobachtung und Untersuchung menschlichen Verhaltens sind mehrere Theorien und Konzepte entwickelt worden, wie etwa das phonologische Lexikon, Erinnerungsvermögen oder auch die „Theory of Mind“. Entsprechend haben Neurowissenschaftler und Ärzte in den letzten Jahrzehnten versucht, diese Konzepte auf Hirnregionen und Netzwerke zu beziehen – aber es hat sich noch kein klares Bild ergeben. Anders formuliert, Verhaltenskonzepte lassen sich nicht Hirnregionen und Netzwerken zuordnen. Ein Grund dafür ist, dass zwischen Hirndaten und Verhaltensdaten eine konzeptionelle Lücke besteht. Ein Beispiel: Selbst wenn wir den Hippocampus, einen Teil des Gehirns, mit Verhaltenskonzepten wie „Erinnerungsvermögen“ oder „Vorstellungsvermögen“ und „Planungsfähigkeit“ in Beziehung setzen, ist das nicht das, was der Hippocampus macht. Mit anderen Worten, diese Konzepte geben – vor allem isoliert betrachtet – keine Auskunft über die Funktion eines Teils des Gehirns.

Sie schlagen einen neuen Ansatz vor, der Ordnung ins Chaos bringen soll. Wie soll das konkret funktionieren?

Zunächst müssen wir so viele Informationen wie möglich sammeln. Bisher wurden vor allem einzelne Bildgebungs-Experimente durchgeführt, in denen sich zum Beispiel eine Aktivierung des Hippocampus beim Abrufen einer Erinnerung beobachten ließ. Mittlerweile haben wir eine große Auswahl solcher Experimente. Das bedeutet, dass wir statistische Ansätze verfolgen können und damit die Bandbreite von Verhaltensfunktionen identifizieren können, bei denen eine Aktivierung des Hippocampus festgestellt wurde. Zum Beispiel können wir feststellen, dass der Hippocampus neben Gedächtnisfunktionen auch bei der Wahrnehmung und bei Gefühlen eine Rolle spielt. Wir haben zudem große Datensätze von großen Bevölkerungsstichproben, darunter Daten aus der Neurobildgebung oder psychometrische Daten. Für eine bestimmte Hirnregion können wir so nach Korrelationen suchen zwischen Neurobildgebungs-Markern wie der grauen Hirnsubstanz und komplexen Verhaltenskonstrukten wie dem kreativen Denken. Das heißt: wir können verschiedene Verhaltensprofile von Hirnregionen und Netzwerken erstellen und so aus einer großen Sammlung von Gehirn-Verhalten-Daten auf das ganze Bild schließen. Jedoch ist dieses Verhaltens-Profiling nur der erste Schritt zu einer neuen Konzeptualisierung von Hirnfunktionen. Außerdem müssen wir diesen Daten latente Muster und Bedeutungen entziehen. Das kann nur durch statistische Lern-Ansätze und fachübergreifende theoretische Arbeit erreicht werden.

Sie wollen u.a. bestimmte “Kernfunktionen“ von Hirnregionen entschlüsseln. Wie unterscheiden sich diese Kernfunktionen von traditionellen kognitiven Funktionen, z.B. Sprache, Gedächtnis oder die Steuerung der Aufmerksamkeit?

Jeder Teil des Gehirns empfängt Input und sendet Output an andere Teile des Gehirns. Wir können uns das Gehirn wie einen Computer vorstellen, eine statistische Maschine oder ein informationsverarbeitendes System.  Zum Beispiel müssen wir davon ausgehen, dass das Hirn Informationen kombiniert, um Wahrscheinlichkeiten zu berechnen und Vorhersagen zu treffen. Aus der Sicht des Gehirns sollten Funktionen als eine Art „Rechenoperation“ betrachtet werden, die auf einigen Repräsentationen oder Informationen beruht. Sprache, Gedächtnis oder Aufmerksamkeit dagegen sind in ihrem Kern menschliche – oder tierische – Funktionen. Dabei geht es um das menschliche Verhalten, das wir im täglichen Leben beobachten können. Im Gegensatz dazu können wir nicht direkt beobachten, welche Art von Funktionen das Gehirn durchführt.

Wie stellen Sie sich eine solche Kernfunktion ganz konkret vor? Könnten Sie vielleicht ein Beispiel nennen?

Niemand weiß, wie so etwas aussehen sollte. Die erste Frage ist: Ist die grundsätzliche Funktion von Hirnregionen nur eine Art der Integration verschiedener Informationen oder gibt es verschiedene Arten von Operationen, die von verschiedenen Hirnregionen durchgeführt werden? Angesichts der Tatsache, dass verschiedene Regionen des Gehirns, wie der Frontalkortex und der Hippocampus, verschiedene Mikroarchitekturen haben, würden wir erwarten, dass sie von ihren Eigenschaften her für unterschiedliche Arten der Berechnung ausgelegt sind. Eine Annäherung an die Art von Funktion, die der Hippocampus ausführt, könnte zum Beispiel eine Art hochauflösende Bindung (vgl. Yonelinas, 2013) sein, also die Verbindung von speziellen, hochauflösenden Inhalten, die bei unterschiedlichen kognitiven Funktionen, von der Wahrnehmung bis hin zum Gedächtnis, vorkommt.

Wie kann die Forschung langfristig von der Orientierung an Kernfunktionen profitieren?

Die Aufgabe einer Hirnregion zu verstehen ist unerlässlich, um neurokognitive Funktionsstörungen bei Patienten in der Neurologie und Psychiatrie zu verstehen. Wir können bei Patienten mit bestimmten Hirnschäden und gewissen Hirnpathologien relativ spezielle kognitive Funktionsstörungen beobachten. Aber über die Mechanismen, die von Hirnfunktionsstörungen zu Verhaltensstörungen führen, weiß man noch relativ wenig. Es wird angenommen, dass es spezielle Funktionsstörungen gibt, die noch nicht klar erwiesen sind, da sie keine offensichtlichen Störungen im Verhalten der Patienten nach sich ziehen. Diese könnten durch ein besseres Verständnis der Funktion von Hirnregionen und Netzwerken vorhergesagt werden. Das Verständnis von Hirnfunktionen hängt also sehr eng mit dem Verständnis von neurokognitiven Funktionsstörungen zusammen.

Trotz all der Probleme bieten bildgebende Verfahren wie funktionelle Magnetresonanztomografie großartige neue Möglichkeiten. Inwiefern können bildgebende Verfahren dazu beigetragen, besser zu verstehen, wie Menschen fühlen, denken und handeln? Welche wichtigen Erfolge wurden Ihrer Meinung nach schon erzielt?

Einige wichtige Erkenntnisse unserer neueren Forschung führten dazu, dass wir Karten der Gehirnorganisation erstellen konnten, sodass Unterschiede zwischen Gehirnhälften und interindividuelle Variabilitäten aufgezeigt werden konnten. Das allgemeine Organisationsmuster des Gehirns, seine Variabilität zwischen Einzelnen und die Beziehung zu Unterschieden in Verhalten und Kognition ist ein wichtiges Thema für künftige Forschung. Zum Beispiel haben wir bereits gezeigt, dass ähnliche Verhaltensmuster bei Männern und Frauen unterschiedliche Beziehungen zu Hirnmerkmalen haben können, oder dass die Alterung des Hirns nicht streng der biologischen Alterung entspricht. Das heißt, es gibt 70-Jährige, deren Gehirn und seine Atrophie aussehen wie bei einem 60-Jährigen. Diese Erkenntnisse sind entscheidend, da sie die Flexibilität und Plastizität des menschlichen Gehirns demonstrieren. Außerdem sind sie wesentlich für die künftige Entwicklung angemessener Behandlungen von allen möglichen Funktionsstörungen bei einzelnen Patienten.

Gibt es eigentlich auch ein Hirnareal oder eine Kernfunktion, das oder die Sie persönlich ganz besonders interessiert?

Ich interessiere mich besonders für den Hippocampus und den Stirnlappen. Ich wollte anfangs eigentlich den Hippocampus nicht untersuchen – ganz einfach, weil mir bewusst war, dass schon Tausende Forscher versucht haben, diese kleine Struktur zu entschlüsseln, die weiter seine Geheimnisse bewahrt und damit viele Forscher-Communitys herausfordert. Aber im Endeffekt führt jede wissenschaftliche oder philosophische Frage, die mir in den Sinn kommt, zurück zum Hippocampus, von „Wie verschlüsselt das Gehirn Informationen“ zu „Wie entwickeln und verändern wir Vorstellungen über uns selbst?“ Letztlich erschloss sich mir die Schönheit des Hippocampus durch die Sicht eines Neuroanatomen, der ihn in einem Hirnschnitt betrachtet. In seinen Augen stellte er eines der Weltwunder dar.

Vielen Dank für dieses faszinierende Interview, Dr. Sarah Genon!

 Das Interview fand im Original in englischer Sprache statt.

Mehr Informationen zum Thema gibt es auch in der Pressemitteilung „Tiefer Blick in die Gehirnfunktion“ vom 26. März 2018