Das Gehirn als Netzwerk

Selbst mit zehn Prozent der üblichen Gehirnmasse ist noch alltägliches Leben möglich - wie ist unser Denkorgan strukturiert?

Über das menschliche Gehirn weiß man, technisch gesehen, eine ganze Menge. Es ist im Mittel 1375 Gramm schwer, wenn es im Kopf eines Mannes sitzt, und es wiegt durchschnittlich 1245 Gramm, wenn sein Besitzer eine Frau ist. Es beansprucht ungefähr 15 Prozent des gesamten Energiebedarfs des Körpers, damit seine etwa 100 Milliarden Nervenzellen reibungslos funktionieren können.

Mit 15 bis 20 Watt chemischer Leistung erreicht es eine „Rechengeschwindigkeit“ von 1013 bis 1016 Operationen pro Sekunde - dies allerdings im Gegensatz zu Computern nicht durch eine hohe Geschwindigkeit der Neuronen/Transistoren, sondern durch eine enorme Parallelität. Vor allem aber ist das Gehirn enorm flexibel, weder sein Gewicht noch sein Volumen stehen in Beziehung zur Intelligenz seines Trägers. Selbst mit zehn Prozent der üblichen Gehirnmasse ist noch alltägliches Leben möglich - wie das Beispiel eines Franzosen zeigt, bei dem Mediziner eher zufällig ein dermaßen kleines Gehirn fanden (2007 berichteten die Ärzte im Fachmagazin Lancet davon).

Die Forschung ist auch schon relativ weit darin fortgeschritten, die genaue Struktur und Funktionsweise einer Nervenzelle zu untersuchen. Man weiß, wie Erregungsmuster weitergeleitet werden, welche chemischen und elektrischen Prozesse sich hier ergänzen. Man hofft sogar schon, wie etwa im Blu-Brain-Projekt, durch Verschaltung genügend künstlicher (simulierter) Nervenzellen eine Art Gehirn konstruieren zu können. Doch das Ganze nur durch Beschreibung seiner Teile darzustellen, ist ungefähr so sinnvoll wie eine Beschreibung des Internet über eine Statistik über die Betriebssysteme, Speicherausstattung und Prozessorgeschwindigkeit aller daran angeschlossenen Computer.

Wissen, das in Strukturen gespeichert werden kann

Eine wirkliche Alternative dazu gibt es, wenn es um das Gehirn geht, aber noch nicht. Zu bruchstückhaft ist das Wissen darüber. So kann man im Kleinen davon ausgehen, dass Wissen oder Erinnerungen nicht in einzelnen Zellen, sondern in Strukturen gespeichert werden. Im Großen kann man mit funktionaler Magnetresonanztomografie die Areale identifizieren, in denen sich bei bestimmten Denkleistungen etwas tut. Wie das Beispiel des Franzosen mit dem winzigen Hirn zeigt, sind diese Areale aber gar nicht zwingend nötig, bei Bedarf (in diesem Fall primär durch einen Hydrocephalus und dessen Behandlung verursacht) kann es Funktionen in andere Bereiche verlagern.

Vor allem entwicklungsgeschichtlich versuchte man deshalb bisher, der grundlegenden Struktur des Gehirns auf die Schliche zu kommen. In der Evolution ältere Bestandteile im Stammhirn sind für die grundlegenden Lebensfunktionen zuständig - Atmen, Herzschlag und manche Reflexe. Das Kleinhirn, das bei vielen Tierarten im Vergleich zum Großhirn stärker ausgeprägt ist, koordiniert Bewegungen und reguliert das Gleichgewicht, außerdem wird ihm eine wichtige Rolle beim unbewussten Lernen zugeschrieben, womöglich sogar bei höheren Lernformen. Über all dem sitzt, vom Zwischenhirn mit gefilterten Informationen versorgt, der jüngste Gehirnteil, das Großhirn. Gedächtnis, höhere Denkvorgänge, aber auch die Reizverarbeitung finden hier statt.

Funktionale Netzwerke

Ob diese anatomisch überprüfbare Struktur aber auch eine funktionale Grundlage hat, darüber sind sich die Forscher nicht einig. In den Veröffentlichungen der US-Akademie der Wissenschaften (PNAS) zeigt ein Wissenschaftlerteam nun, dass die einzelnen Areale womöglich auch eine netzwerkartige Struktur bilden.

Die Forscher haben dazu eine Technik entwickelt, mit der sie solche funktionalen Netzwerke besonders gut nachweisen konnten. Als sie ihr Verfahren an einem Abschnitt des Rattengehirns testeten, fanden sie unvermutet sehr ungewöhnliche Signalwege, die in auf den ersten Blick nicht verknüpfte Bereiche führten. Diese nachvollziehbar identifizierbaren Verbindungen waren als Ketten aus geschlossenen Schleifen organisiert - so ähnlich, wie man sich aus Papierringen selbst gebastelte Girlanden zum Kindergeburtstag vorstellen kann.

Die Forscher hoffen nun, ihre Technik systematisch zum Aufdecken der fundamentalen Netzwerkstrukturen des Gehirns anwenden zu können - des (äquivalent zum Genom oder Proteom) so genannten Connectoms. Da es sich um eine invasive Technik handelt, kommt sie zum Erforschen menschlicher Hirnstrukturen allerdings nicht in Frage. (Matthias Gräbner)

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