Dynamischer Homunculus

Dramatische Änderungen in den somato-sensorischen "Landkarten" von erwachsenen Affen hatte Merzenich schon vor einigen Jahren beobachtet, allerdings nach drastischen Eingriffen: Wenn ein Finger amputiert wird, dann vergrößern sich im Gehirn die Repräsentationen der Nachbarfinger Im lernenden Hirn werden Verknüpfungen ständig umarrangiert / Von Regina Oehler

Das Gehirn ist nicht nur ein wunderbar geordnetes Organ voller Muster, in dem die Nervenzellen parallel zur Hirnoberfläche in Schichten gegliedert, senkrecht zur Oberfläche in Säulen arrangiert sind, in dem Nervenzellen mit ähnlichen Aufgaben und Vorlieben nebeneinander liegen und nach ähnlichen Mustern verknüpft sind. Das Gehirn ist auch ständig und ein Leben lang im Fluß. Es entwickelt sich, es lernt, es paßt sich immer aufs neue den Erfordernissen des Alltags an.

Das klingt trivial und selbstverständlich – wir könnten ohne ein flexibles Gehirn nicht überleben, nichts Neues wagen. Für die Neurobiologen ist es aber sehr schwer, der Dynamik des Gehirns auf die Spur zu kommen. Mittlerweile sind ihnen jedoch einige faszinierende Beobachtungen gelungen. Von ihnen war auf dem 50. Berliner Dahlem-Workshop die Rede, einer Jubiläumsveranstaltung, die der "Neurobiologie des Neocortex" und damit dem entwicklungsgeschichtlich jüngsten Teil der Großhirnrinde gewidmet war.

Aufsehen erregten die Ergebnisse des Neurophysiologen Michael Merzenich von der University of California. Er untersucht, was sich in bestimmten Gebieten der Großhirnrinde ändert, wenn neue sinnliche Erfahrungen gesammelt werden. Professor Merzenich und seine Arbeitsgruppe studieren diese Veränderungen bei Nachtäffchen. Diese Tiere besitzen, wie wir Menschen, in verschiedenen Hirngebieten "Landkarten" ihrer Körperoberfläche, das heißt benachbarte Nervenzellen im Gehirn sind auch für benachbarte Körperstellen zuständig.

Diese "Landkarten" sind jedoch keine maßstabsgerechten Verkleinerungen der Körperoberfläche: In den somato-sensorischen Rindenfeldern zum Beispiel, in denen die Sinnesmeldungen von der Haut eintreffen, befassen sich verhältnismäßig mehr Nervenzellen mit der Hautoberfläche von Händen und Füßen als mit jener von Armen und Beinen. Der "Homunculus", der sich aus diesen "Hirnkarten" ermitteln läßt und der manche Lehrbücher ziert, hat lange Finger und kurze Arme, große Füße und kleine Beine. Dieser Homunculus, diese Repräsentation der Körperoberfläche im Gehirn besitzt aber nicht, wie bisher angenommen, eine starre Gestalt. Er scheint sich vielmehr ständig zu wandeln.

Das zeigen die verblüffenden Ergebnisse der Arbeitsgruppe von Michael Merzenich. Die Forscher maßen zunächst mit feinsten Mikroelektroden die elektrischen Aktivitäten von Nervenzellen in der somato-sensorischen Hirnrinde und bestimmten so, welche Bereiche auf Reizungen der Finger und Fingerspitzen der Äffchen ansprechen. Doch schon nach wenigen Tagen mußten die Wissenschaftler ihre "Karten" neu zeichnen. In der Zwischenzeit hatte nämlich die häufige Reizung bestimmter Stellen der Fingeroberfläche dazu geführt, daß sich die Repräsentation der gereizten Hautstellen im Gehirn deutlich vergrößert und verfeinert hatte – und das bei erwachsenen Tieren! Michael Merzenich kommentiert seine Ergebnisse so: "Wenn der Affe immer wieder einen bestimmten Bereich seiner Finger benutzt, dann wird dieser Bereich in sehr viel feineren Details repräsentiert, so daß die taktile Information vermutlich feiner unterschieden werden kann."

und der Handfläche. Nach einer solchen Operation bleiben in den "Landkarten" des Gehirns also keine weißen Flecken, sie werden mit Informationen der Nachbarbereiche aufgefüllt.

Dynamischer Homunculus

Auch nach der Transplantation von Hautstücken mitsamt den zugehörigen Nervenfasern zeigen sich Änderungen im Affenhirn: Die "Karte" wandelt sich so, daß benachbarte Nervenzellen wieder für benachbarte Hautbereiche zuständig sind. Die Formbarkeit des Gehirns hat allerdings ihre Grenzen. Merzenich meint: "Änderungen sind nur möglich, solange die Haut innerhalb einer bestimmten Entfernung transplantiert wird, etwa von einem Finger auf den anderen. Dagegen passiert nichts, wenn man Haut von einem Fuß auf die Hand transplantiert."

Die neuen Ergebnisse der kalifornischen Arbeitsgruppe zeigen nun, daß solche Umarrangements im Gehirn nicht nur Reaktionen auf traumatische Ereignisse sind, sondern daß sie anscheinend zum alltäglichen Verhaltensrepertoire des Hirns gehören. Und offensichtlich ist nicht einmal intensives Training dafür notwendig: Merzenich und seine Kollegen haben bei Fledermäusen und Affen beobachtet, wie sich die Repräsentationen von benachbarten Hautstellen über Tage und Wochen ändern, vergrößern und verkleinern – ganz ohne irgendwelche besonderen Übungen. Vernon Mountcastle, Professor an der Johns-Hopkins-University in Baltimore und einer der Grandseigneurs der Hirnforschung, meint dazu: "Die Änderung von Landkarten im Gehirn ist ein ganz normales Ereignis. Vermutlich reflektieren die Landkarten eines Individuums seine einmaligen sinnlichen Erfahrungen."

Nicht nur beim Tastsinn erweist sich das Gehirn als flexibel. Merzenich berichtete zum Beispiel von Experimenten seines kalifornischen Kollegen Daniel Weinberger, der mit seiner Arbeitsgruppe Katzen dressiert. Die Katzen lernen in diesen Versuchen, daß immer auf einen bestimmten Ton ein unangenehmer Reiz folgt, nämlich ein Luftstoß aufs Auge. Nach kurzem Training schließen die Katzen die Augen, sobald der Ton erklingt. Bei der Verarbeitung dieses Tones, der für die Katzen plötzlich wichtig geworden ist, betreibt das Gehirn offensichtlich einen erhöhten Aufwand. Der Bereich, in dem sich die Nervenzellen besonders mit diesem Ton befassen, vergrößert sich – allerdings nur so lange, wie der Ton auch verhaltensrelevant ist. Wenn die Katzen die Kopplung zwischen Reiz und Luftstoß wieder verlernen, schrumpft auch der Repräsentationsbereich dieses Tones auf seine ursprüngliche Größe.

Merzenich ist sicher, daß ähnliche Prozesse, auch im Gehirn des Menschen eine wesentliche Rolle spielen: "Wir glauben, daß dieses Remodelliefen die Vorgänge widerspiegelt, die dem Erwerb von Fertigkeiten durch Übung zugrunde liegen. Und wir vermuten, daß die Veränderungen, die wir beobachten können, vielleicht die grundlegenden Veränderungen widerspiegeln, die fürs Lernen, fürs Gedächtnis und überhaupt für das Wiedererkennen von Dingen und Personen notwendig sind."

Dabei nimmt Merzenich an, daß im Gehirn noch viel mehr im Fluß ist, als wir vermuten: "Die Gebiete, die wir hauptsächlich untersuchen und in denen wir die wesentlichen Änderungen gefunden haben, sind die Bereiche, in denen die Informationen von der Haut in der Großhirnrinde ankommen. Aber das sind genau die Bereiche, die sehr wahrscheinlich am wenigsten modifizierbar sind." Vielleicht finden sich im Gehirn weite Bereiche in ständigem Umbau. Wie steht es zum Beispiel mit den vielen "Landkarten", die unsere visuelle Welt ordnen? Auf dem Dahlem-Workshop konnten die Neurobiologen dazu nur Vermutungen äußern.

Die Grenzen der Plastizität setzt offensichtlich die Anatomie. Nach Merzenichs Vorstellungen ändern sich nämlich nicht die anatomischen Verbindungen zwischen den Nervenzellen, sondern die Verhältnisse an den einzelnen Kontaktstellen zwischen den Zellen, an den Synapsen. Jede Nervenzelle unterhalte viel mehr Verbindungen, als sie tatsächlich benutze. Neue Erfahrungen könnten dann die bisher "ruhiggestellten" Synapsen aktiv werden lassen.

Das sagt sich leicht. Was aber sind die Mechanismen, die sinnliche Erfahrungen umsetzen in neue Kontakte, in neue Kommunikationsmöglichkeiten zwischen den Nervenzellen? Merzenich lacht: "Diese Dinge sind kompliziert." Eine wesentliche Rolle spielen dabei, darüber waren sich in Dahlem alle einig, die zeitlichen Verhältnisse. Wenn zwei Erregungsmeldungen genau gleichzeitig bei einer Nervenzelle eintreffen, werden die entsprechenden Verbindungen verstärkt – falls noch eine zweite Bedingung erfüllt ist: Die Nervenzelle muß noch ein zusätzliches Signal erhalten, das besagt: "Jetzt kommt’s drauf an."

Dynamischer Homunculus

Dabei scheinen nichtspezifische aktivierende Systeme, welche die Aufmerksamkeit eines Lebewesens steuern, eine zentrale Rolle zu spielen. Nur, bedauert Merzenich, ergäben diese ein äußerst komplexes Bild. Mindestens acht unterschiedliche aktivierende Systeme sind mittlerweile ausgemacht, die, ausgehend von stammesgeschichtlich alten Bereichen tief im Gehirn, die Vorgänge in der Großhirnrinde entscheidend beeinflussen können. Fast überflüssig zu erwähnen, daß das Zusammenspiel dieser Systeme kaum untersucht ist.

Eines aber schält sich immer mehr heraus: Die plastischen Veränderungen scheinen bei erwachsenen Tieren – und beim Menschen? – ganz ähnlichen Regeln zu folgen wie bei der Entwicklung des Gehirns, wenn sich die Hirnstrukturen in einem feinen Zusammenspiel zwischen vorprogrammierten Anweisungen und Informationen aus der Innen- und Außenwelt an die Erfordernisse der jeweiligen Lebenswelt anpassen.

Wird unser Gehirn also von der Wiege bis zum Grab ständig umarrangiert, umgewichtet? Wenn sich so viele Gebiete im Gehirn wandeln, was passiert dann mit den Arealen, mit denen sie in enger Verbindung stehen? "Wo hört die Plastizität auf?" fragte leicht irritiert einer der Teilnehmer des Dahlem-Workshops. Und Nobel-Preisträger Torsten Wiesel, der sich um die Aufklärung der (statischen) Struktur des Sehsystems verdient gemacht hat, versicherte sich und anderen: "Gleichzeitig bin ich immer noch sehr beeindruckt von der Stabilität des Systems." Zeichnung aus "Gehirn und Nervensystem", Spektrum der Wissenschaft, Heidelberg