Gehirn Im Labyrinth des Denkens

Wie erschaffen 100 Milliarden Nervenzellen in unserem Kopf Geist und Bewusstsein? In Lausanne suchen Forscher auf vielen Wegen nach Antworten. Sie bauen das Gehirn künstlich nach und lassen die Seele aus dem Körper fahren.

Es zuckt im bunten Nervengeflecht. Das Dickicht aus gelben, roten und grünen Fasern blinkt und leuchtet, und während man hindurchgleitet, fühlt man sich an den tropischen Regenwald erinnert. Wie fette Spinnen sitzen dicke Zellkörper in ihrem Netz aus faserigen Fortsätzen, die sich lianengleich ineinanderschlingen, mal Urwaldstämmen gleichen, mal in zarte Äste auslaufen, an denen sich immer neue Knospen bilden. Und wenn sich zwei Nervenstränge berühren, kommt es zu heftigen Entladungen: Hier werden chemische Botenstoffe ausgeschüttet, da werden hektisch blinkend elektrische Impulse abgesetzt, vom Nachbarn aufgenommen und eiligst weitergeleitet, wie flackernde Blitze durch den Dschungel der Neuronen gejagt.

Willkommen im Heimkino des Blue Brain Project in Lausanne! Was auf der Leinwand sichtbar wird, ist der faszinierende Versuch, das Innenleben des Gehirns dreidimensional erlebbar zu machen. Denn die bunt gefärbten Nervenzellen und -fasern entstammen allesamt dem Rechner. Einer der größten Supercomputer der Welt simuliert die Neuronen und ihr Zusammenwirken mit nie da gewesener Detailtreue. Mit Hilfe einer 3-D-Brille kann man sich in das Zellgespinst hineinversetzen und staunend durch ein Gebilde schier unentwirrbarer Komplexität reisen, in dem doch alles seinen Platz hat und auf geheimnisvolle Weise zusammenwirkt.

Derzeit besteht das künstliche Hirngewebe aus 10.000 Nervenzellen. Doch das ist nur der Anfang. Irgendwann sollen in der Blue-Brain-Simulation 100 Milliarden Neuronen zusammengefügt werden – zu einer vollständigen Kopie eines menschlichen Gehirns! Sind die Neurowissenschaftler am Genfer See vielleicht größenwahnsinnig?

»Das hier ist kein Frankenstein-Projekt«, stellt Henry Markram als Erstes klar. Der ruhig und zurückhaltend wirkende Südafrikaner sitzt in Jeans und Pullover in seinem Universitätsbüro und ist auf Journalisten nicht allzu gut zu sprechen. Seit er im Jahre 2005 das Blue Brain Project gestartet hat, musste er immer wieder reißerische Artikel über sein Kunsthirn lesen, mit dem er angeblich das Rätsel des Bewusstseins lösen oder die menschliche Seele in eine Maschine verpflanzen wolle. Alles Quatsch, meint der Hirnforscher. »Es geht uns nicht um Künstliche Intelligenz, sondern um ein besseres Verständnis«, erklärt Markram. »Wir wollen ein realistisches Modell des Gehirns erzeugen, in das wir alle bekannten Forschungsergebnisse integrieren. Wenn das gelingt, haben wir ein fantastisches Werkzeug. Wir können zum Beispiel die Wirkung von Medikamenten im Hirn punktgenau simulieren.«

In der Tat, wenn das gelänge, wäre dies eine Revolution und Markram so etwas wie der Einstein der Hirnforschung. Denn trotz eines gigantischen Forschungsaufwandes – jedes Jahr werden etwa 35.000 neurowissenschaftliche Arbeiten veröffentlicht – fehlt noch immer ein umfassendes Modell des Gehirns. Zwar wurde das honigmelonengroße Organ in den vergangenen Jahrzehnten immer genauer seziert; man hat bestimmte Denktätigkeiten einzelnen Hirnarealen zugeordnet, deren Morphologie studiert und die elektrische Aktivität der grauweißen Schwabbelmasse analysiert, bis hinunter zur Reizleitung einzelner Zellen. Doch all das, was unsere menschliche Einzigartigkeit ausmacht, schien sich dabei unter dem Mikroskop gleichsam in Luft aufzulösen. Und die entscheidenden Fragen sind noch immer ungeklärt: Wie bringt das Nervengeflecht in unserem Kopf Gedanken hervor, auf welche Weise führt das Neuronenfeuer zu so etwas wie Bewusstsein, kurz: Wie entsteht aus Materie Geist?

Kann man das Hirn simulieren? Nicht wenige halten schon die Idee für spinnert

Wer Antworten auf solche Fragen sucht, findet derzeit kaum einen geeigneteren Ort als die École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Hier ist nicht nur das Blue Brain beheimatet, sondern auch das Labor für kognitive Neurowissenschaft, das mit der Erforschung seltsamer Bewusstseinsphänomene Schlagzeilen macht: Hier geht es um Spiegelhalluzinationen, Doppelgängerphänomene oder out of body -Erlebnisse, bei denen sich die Seele regelrecht vom Körper zu lösen scheint. Solche »außerkörperlichen« Erfahrungen treten manchmal in Todesnähe auf und werden gerne mit religiösen oder esoterischen Vorstellungen in Zusammenhang gebracht. Im Labor für kognitive Neurowissenschaft dagegen werden sie fast schon routinemäßig erzeugt.

Wer also die hundert Meter zurücklegt, die die beiden Labors in Lausanne trennen, durchmisst das gesamte Spektrum der modernen Hirnforschung, von der Anatomie einzelner Neuronen bis zur Frage, wie aus ihrem Zusammenwirken am Ende Geist und (Selbst-)Bewusstsein entstehen. Und er lernt zwei sehr gegensätzliche Zugänge zum Gehirn kennen: zum einen die Analyse merkwürdiger Bewusstseinszustände, aus denen man sozusagen top-down auf die Funktionsweise des Gehirns rückschließt; zum anderen den kühnen Versuch, das Denkorgan bottom-up aus seinen Einzelteilen wieder zusammenzusetzen.

Dass solche ungewöhnlichen Experimente an einer kleinen, idyllisch gelegenen Schweizer Hochschule stattfinden, liegt daran, dass die EPFL nicht unter dem Ballast der Traditionen leidet. Erst vor sechs Jahren hat die École Polytechnique, die sich als »eine der innovativsten Universitäten in Europa« lobt, eine neue Fakultät für Lebenswissenschaften aus der Taufe gehoben. Und die Forscher, die hier in moderne Labors einzogen, von deren Fenstern aus man den Schnee auf den Gipfeln der französischen Alpen sieht, konnten von Anfang an visionäre Ideen in Angriff nehmen, ohne sich groß um Traditionen oder die Bedenken alteingesessener Kollegen scheren zu müssen.

Henry Markram kam 2002 vom Weizmann-Institut in Israel, weil er die Chance sah, endlich seinen Traum vom Kunsthirn zu verwirklichen, den er seit Jahren mit sich herumtrug. »Ich hatte damals auch Angebote von Eliteuniversitäten in den USA«, erzählt der 45-Jährige, »aber ich stellte fest, dass ich dort meine Zeit mit dem Schreiben von Forschungsanträgen hätte zubringen müssen.« In Lausanne dagegen war die Hochschulleitung mutig genug, das Blue Brain Project von Anfang an finanziell zu unterstützen – ohne genau zu wissen, wohin es am Ende führen würde.

Die Meinungen der Fachwelt über das Experiment sind bis heute geteilt. Nicht wenige Wissenschaftler halten schon allein die Idee, das Hirn nachbauen zu wollen, für spinnert. Hat nicht die Geschichte der Hirnforschung genug Bescheidenheit gelehrt? Ist nicht mit jeder neuen Untersuchungsmethode eine Euphorie ausgebrochen, die ebenso schnell wieder verflog? Über die Phrenologen, die Ende des 18. Jahrhunderts postulierten, man könne an der Form der Schädelknochen den menschlichen Charakter ablesen, lachen wir heute nur noch. Als hundert Jahre später Camillo Golgi und Ramón y Cajal mit einer speziellen Färbetechnik erstmals die Neuronen und ihre Verbindungen (Synapsen) sichtbar machten, glaubte man, endlich den Schlüssel zum Gehirn gefunden zu haben. Auch der junge Sigmund Freud hoffte damals, in dem grauweißen Nervengeflecht den Schlüssel zum menschlichen Seelenleben zu finden – vergebens. Wiederum hundert Jahre später führte der Boom der bildgebenden Verfahren – Computer-, Kernspin- und Positronenemissionstomografie – zu neuer Euphorie. Der amerikanische Präsident rief die 1990er Jahre zur decade of the brain aus, Forscher gaben ihren Büchern großspurige Titel wie Was die Seele wirklich ist, und es schien, als sei das jahrhundertealte Leib-Seele-Problem schon so gut wie gelöst. Doch inzwischen macht sich von Neuem Ernüchterung breit. Die bunten Bilder aus dem Kernspintomografen zeigen eben doch nur den Blutfluss im Gehirn und nicht das Denken selbst. Und prominente Vertreter der Zunft wie Wolf Singer stellen selbstkritisch fest, »dass wir heute weniger wissen, wie das Gehirn funktioniert, als wir vor zwanzig, dreißig Jahren zu wissen glaubten«.

Ein dreidimensionales Puzzle mit 30 Millionen Verbindungsstellen

Und da will Henry Markram nun das Rätsel fast im Alleingang lösen? »Ich verstehe die Skepsis«, sagt der Neurobiologe. »Aber für mich lautet die Frage nicht: Ist es möglich, das Gehirn nachzubauen? Sondern: Was braucht man, damit es möglich wird?« Das Blue Brain Project soll genau diese Frage beantworten.

Der eingangs gezeigte Film, die Reise durch den bunten Nerven-Tropenwald, ist die Frucht von fünfzehn Jahren harter Arbeit. So lange hat Markram Daten gesammelt, hat bei dem deutschen Nobelpreisträger Bert Sakmann in Heidelberg gelernt, wie man in Rattenhirnen einzelne Nervenzellen untersucht und wie man ihre Kommunikation abhört. »Heute haben wir eine riesige Datenbank mit über 10000 recordings von Zellen, mit Hunderttausenden Kommunikationsmustern, mit Studien zur Genexpression und so weiter«, erzählt Markram, und man hat den Eindruck, er kenne jede Nervenzelle persönlich. Stundenlang kann er über ihre biologischen, elektrischen, chemischen oder magnetischen Eigenschaften reden, und es wird klar, dass Neuronen keine amorphe Masse sind, sondern höchst individuelle Gebilde, so einzigartig wie Fingerabdrücke oder Gesichter. »Und genau aus dieser Diversität und Komplexität entsteht die Macht des Gehirns«, sagt Markram.

Dessen Leistungsfähigkeit illustriert der Neurobiologe anhand eines einfachen Vergleichs: »Wollte man versuchen, einen Computer mit der Rechenkapazität des Gehirns zu bauen, würde der Tausende von Gigawatt brauchen und Milliarden Dollar kosten – in unserem Kopf schafft das eine drei Pfund schwere Masse, die auf 60 Watt läuft.« Der Unterschied zwischen Supercomputern und Gehirn besteht in der biologischen Struktur. Über Trillionen von Synapsen tauschen die Neuronen permanent elektrische und chemische Informationen aus, arbeiten also zugleich analog und digital. »Wenn wir verstehen, wie das genau funktioniert, wird das unsere gesamte Informationstechnik revolutionieren«, prophezeit Markram.

Noch ist es nicht so weit. Aber das Blue Brain Project läuft ja auch erst seit zweieinhalb Jahren. Und immerhin hat Markram nun bewiesen, dass sein Ansatz zumindest im Prinzip funktionieren kann: Indem er alle bekannten Daten über die Funktionsweise der Neuronen seinem BlueGene/L-Computer fütterte, errechnete dieser daraus den Aufbau der kleinsten Grundeinheit eines Gehirns, einer »kortikalen Säule«. »Wir mussten dazu quasi ein dreidimensionales Puzzle mit 30 Millionen Verbindungsstellen zusammensetzen«, erzählt Markram nicht ohne Stolz.

Seit Ende vergangenen Jahres pulsieren die 10.000 zusammengeschalteten (Ratten-)Neuronen im Rechner. Das blinkende Nervengeflecht lässt sich nicht nur in beeindruckenden Filmen sichtbar machen; auf Knopfdruck können die Hirnforscher auch jede einzelne Zelle ansteuern, ihren Signalaustausch mit anderen Neuronen beobachten oder simulieren, was bei einer Störung des Systems geschieht.

Nun müsste man nur eine Vielzahl solcher Bausteine zusammenfügen, dieselben Schritte beim Menschen nachvollziehen – voilà, fertig wäre das Gehirn. Es gibt lediglich ein Problem: Die Lausanner Forscher brauchten dazu einen Supercomputer völlig neuen Typs, der einige Hundert Millionen Dollar kosten würde. »Leider ist es extrem schwer, visionäre Investoren zu finden«, berichtet Markram. Ständig halte er Vorträge vor Milliardären, immer seien sie interessiert – »aber am Ende investieren sie dann doch lieber in Aktien oder Hedgefonds«.

Mit ganz anderen Herausforderungen zu kämpfen hat hundert Meter weiter Olaf Blanke. Der Leiter des Labors für kognitive Neurowissenschaft braucht für seine Forschungen keine Supercomputer, sondern geeignete Patienten und Probanden. Denn er untersucht, was die 100 Milliarden Neuronen am Ende hervorbringen: (Selbst-)Bewusstsein. Täglich erlebt Blanke, der auch als Oberarzt am Universitätsklinikum Genf tätig ist, »wie selbst kleine Störungen im Hirn einen Menschen tiefgreifend verändern«.

Wenn der schlaksige Deutsche beim Mittagessen anfängt, begeistert von seinen Fallgeschichten zu erzählen, fühlt man sich an die fantastischen Storys des Neurologen Oliver Sacks erinnert. Da wäre etwa jener Patient, der durch einen Hirninfarkt das »Gourmand-Syndrom« entwickelte: Eine Läsion im präfrontalen Cortex weckte in dem Manne eine unwiderstehliche Lust auf edles Essen und erlesene Kochkünste; am Ende kündigte der Jurist seinen Job und arbeitete als Genussexperte für Zeitschriften.

Ein anderer Fall machte Blanke 2002 weltberühmt. Damals untersuchte der Neurologe eine Epilepsie-Patientin, der er zur Vorbereitung auf eine Operation winzige Elektroden ins Gehirn gepflanzt hatte. Als Blanke damit eine spezielle Hirnregion namens Angular Gyrus reizte, geschah Unerwartetes: Plötzlich, so berichtete die 43-jährige Frau, hatte sie das Gefühl, ihren Körper zu verlassen. »Ich fühle mich leicht und schwebe in etwa zwei Meter Höhe. Unten sehe ich meinen Körper auf dem Bett liegen«, sagte die Patientin. Als der Arzt die Elektrode deaktivierte, hörte das Phänomen schlagartig auf, als er den Stromfluss wieder einschaltete, meinte die Patientin prompt wieder abzuheben. Banke hatte, ohne es zu wollen, eine out of body- Erfahrung ausgelöst.

Jahrhundertelang galten solche Erlebnisse als Hinweis auf die Existenz einer Seele. Zugleich schienen sie ein schlagender Beweis für den sogenannten Dualismus, demzufolge Körper und Geist getrennte Phänomene sind. Res extensa und res cogitans hieß das bei René Descartes – niemand hat die Trennung zwischen der »ausgedehnten Körpersubstanz« und der »ausdehnungslosen denkenden Substanz« deutlicher formuliert als der französische Philosoph. Und als er 1637 sein berühmtes »cogito ergo sum« (»Ich denke, also bin ich«) niederschrieb, ging es ihm auch darum, »dass ich eine Substanz sei, deren ganze Wesenheit oder Natur bloß im Denken bestehe und die zu ihrem Dasein weder eines Ortes bedürfe noch von einem materiellen Dinge abhänge, sodass dieses Ich, das heißt die Seele (…), auch ohne Körper nicht aufhören werde, alles zu sein, was sie ist«.

Olaf Blanke sieht das heute völlig anders. Für ihn – wie für die meisten Neurowissenschaftler – ist das »Selbst« ebenso wie das Körpergefühl untrennbar mit dem Gehirn verbunden. Wer will, kann das in seinem Labor selbst erleben. »Bitte hier herein«, sagt Bigna Lenggenhager, und führt mich in einen abgedunkelten Raum, in dem ein merkwürdiger Glaskasten steht. Beim Nähertreten sieht man darin eine hautfarbene Gummihand liegen, deren Armansatz unter einem schwarzen Vorhang verschwindet. »Und nun Ihre Hand da hinein«, kommandiert die 27-jährige Doktorandin freundlich-resolut, und mein Arm verschwindet in dem Kasten. Lenggenhager schiebt meine Hand zur Seite unter eine Sichtblende – so dass von außen plötzlich der Eindruck entsteht, mein Arm sei nun mit der Gummihand verbunden. Dann greift die junge Forscherin zu zwei kleinen Pinseln und beginnt, gleichzeitig meine unsichtbare Hand und die sichtbaren Gummifinger zu streicheln. Ein merkwürdiger Eindruck entsteht: Während ich die Berührung an den eigenen Fingern spüre , sehe ich sie an der Attrappe. Allmählich scheint das hautfarbene Gummiding ein Teil meines Körpers zu werden. Man meint geradezu, ein Gefühl in den Gummifingern zu entwickeln – und spürt ein schmerzhaftes Erschrecken, wenn plötzlich ein Hammer darauf niedersaust.

»Überrascht?«, fragt Blanke lächelnd. »Diese Sinnestäuschung ist ganz normal.« Sie belegt nichts anderes, als dass unser Körpergefühl eine Repräsentation des Gehirns ist. »Das Gehirn konstruiert aus allen Inputs, die es bekommt, ein möglichst konsistentes Bild des Körpers und des Selbst – und optische Reize haben dabei offenbar ein sehr großes Gewicht.« Wird das Gehirn also mit widersprüchlichen Informationen konfrontiert – Berührungsreizen an der Hand und konkurrierende visuelle Rückmeldungen von der Gummihand –, bemüht es sich um einen diplomatischen Ausgleich und kann kurzerhand einen fremden Gegenstand in den Körper integrieren und als Selbst attribuieren.

Descartes’ »Cogito ergo sum« ist passé. In Lausanne heißt es »Video ergo sum«

Klingt unglaublich? Blanke hat noch mehr zu bieten. Seit Neuestem versucht er, die Gummihand-Illusion dank virtueller Realität auf den ganzen Körper auszudehnen. Wir gehen in einen Laborraum, in dem ein Stativ mit einer Videokamera steht. Blanke positioniert mich vor der Kamera und reicht mir eine spezielle Videobrille, in der ich – mich selbst von hinten sehe. Denn die Kamera filmt meinen Rücken und überträgt genau dieses Bild auf die Brille. Wieder greift Lenggenhager zu ihren Pinseln und streicht damit über meinen Rücken. Ähnlich wie im Gummihand-Experiment spüre ich die Berührung am eigenen Rücken, während ich sie im Abstand von zwei Metern vor mir sehe. Und alsbald stellt sich wiederum die Wahrnehmungsverschiebung ein: Mehr und mehr meine ich, ein Gefühl in dem virtuellen Körper vor mir zu entwickeln. Bei anderen Probanden war dieser Effekt offenbar so stark, dass sie geradewegs aus ihrer Haut zu fahren meinten.

Video ergo sum – so war der Bericht über dieses Experiment im Fachblatt Science betitelt. Blanke arbeitete dabei mit dem Philosophen Thomas Metzinger zusammen, der schon länger die These vertritt, das »Selbst« sei nichts anderes als eine Repräsentation des Gehirns. Es entsteht Metzinger zufolge aus all den inneren und äußeren Eindrücken, die das Gehirn zu einem Modell der Innen- und der Außenwelt zusammenfügt. Blankes Experimente zeigen beispielhaft, wie fragil diese Modellbildung ist, wie sehr sich sogar unser (scheinbar so selbstverständliches) Körperempfinden manipulieren lässt – und welche Rolle dabei die Arbeitsweise des Gehirns spielt. Als nächstes will Blanke nun mithilfe einer Kombination von virtueller Realität und bildgebenden Verfahren jene Hirnareale und -prozesse detailliert beschreiben, die solche Selbst-Repräsentationen erzeugen.

Anders als die Dualisten meinten, gibt es im Gehirn eben keine übergeordnete Instanz, die ein »Ich« oder »Selbst« hervorbringt. Stattdessen beschreiben Neurowissenschaftler das Gehirn heute gerne als »Orchester ohne Dirigent«: Niemand führt hier das Kommando, aber jede Einheit weiß, wie sie auf einen bestimmten Stimulus reagieren muss. Wird zum Beispiel die Amygdala aktiviert, eine Region, die für Furcht und Aggression zuständig ist, dann wird dieser Stimulus an den Hypothalamus weitergegeben, an den Hirnstamm und weiter bis zum Rest des Körpers. Man wird bleich, das Herz rast, die ganze Physiologie ändert sich. All diese Änderungen wiederum werden sehr genau vom Gehirn registriert – es entsteht ein »Gefühl«. Und am Ende konstruieren Tausende solcher Kreisläufe das, was wir Realität nennen.

Das ist übrigens auch der Grund, weshalb Henry Markram auf einen Erfolg seines Blue Brain Project hoffen kann. Gerade weil Gehirn, Körper und Bewusstsein sich nicht voneinander trennen lassen, kann man versuchen, dieses Wechselspiel künstlich nachzuformen. Ähnlich wie Olaf Blanke wurde dabei auch dem Blue-Brain-Chef im Laufe seiner Forschungsarbeit immer mehr klar, wie verletzlich und manipulierbar das menschliche Denkorgan ist: »Jeder äußere Reiz, jede Wahrnehmung, jeder Gedanke beeinflusst das Gehirn.« Je mehr ihm das bewusst geworden sei, umso größer sei sein Respekt davor geworden, meint Markram: »Das Gehirn verändert sich ständig – und es hängt von unserem Verhalten ab, in welcher Weise es das tut.«

Literatur zum Thema:

S. Aamodt/S. Wang: Welcome to your Brain
Ein respektloser Führer durch die Welt unseres Gehirns; C. H. Beck 2008; 297 S., 19,90 €

Brian Burell: Im Museum der Gehirne
Die Suche nach Geist in den Köpfen berühmter Menschen; Hoffmann und Campe 2005; 383 S., 24,– €

Michael Hagner: Der Geist bei der Arbeit
Historische Untersuchungen zur Hirnforschung; Wallstein Verlag 2006; 286 S., 28,– €