Wettlauf zum Hirn

Selten hören Wissenschaftler so anerkennende und ermutigende Worte aus dem Mund eines Politikers, wie sie Barack Obama in seiner Rede zur Lage der Nation fand: „Jetzt ist nicht der Zeitpunkt, um die Förderung für Wissenschaft und Innovation zu kappen. Jetzt ist der Zeitpunkt, um Forschung und Entwicklung auf eine Ebene zu heben, die wir seit dem Wettlauf ins All nicht mehr erreicht haben“, sagte der US-Präsident am 12. Februar - und es war keine präsidiale Rhetorik.

Obama spielte auf ein längst geplantes Großprojekt an. US-Neurowissenschaftler wollen die Aktivität jeder einzelnen Nervenzelle des Gehirns erfassen, sie kartieren und verstehen, wie das Denkorgan funktioniert. Über zehn Jahre sollen dafür bis zu drei Milliarden Dollar vom Staat  in die Zusammenarbeit verschiedenster Forschungsinstitutionen und IT-Konzernen wie Google und Microsoft fließen – falls die Medienberichte stimmten. Und falls Obama einen Haushaltsentwurf mit dem „Brain Activity Map Project“ durchsetzt. 

Die Nachricht kommt wenige Wochen, nachdem die Europäische Union das „Human Brain Project“ mit einer Milliarde Euro Forschungsgeld ausgestattet und es so zum Flaggschiff seiner Forschung erkoren hat. Die Europäer wollen statt einer Superkarte eine Supercomputer-Simulation des Gehirns schaffen. Das Hirn ist damit zum derzeit heißesten Forschungsthema avanciert, und das wohl zu recht. Denn wir verstehen dieses Organ mit seinen bis zu 100 Milliarden Nervenzellen bisher peinlich schlecht. Wir wissen zwar, wie einzelne Neuronen oder kleine neuronale Netzwerke arbeiten, aber das Organ als Ganzes bleibt ein großes Rätsel. Um zu funktionieren, muss im Gehirn eine große Zahl an Nervenzellen koordiniert zusammenarbeiten. Jede Zelle ist mit bis zu 10.000 anderen verbunden, jede kann also in verschiedenen Schaltkreisen aktiv sein. Doch die Abfolge der Aktionen ist rasend schnell: Neue Aktivitätsnetzwerke scheinen im Milli- und Mikrosekundentakt auf, sie wechseln ständig ihre Gestalt. „Es liegt nahe, dass auch die Ursachen von Krankheiten wie Schizophrenie, Autismus oder Alzheimer sich letztlich nur erklären lassen, wenn wir die Verzahnung dieser unzähligen neuronalen Ensembles besser begreifen“, sagt Rafael Yuste, Neurowissenschaftler an der New Yorker Columbia-Universität, einer der Initiatoren des US-Brain Activity Map-Projekts.

Der Weg zu diesem Ziel könnte weiter sein, als es die Berichte über Obamas Pläne vermuten lassen. Noch fehlen vor allem die Methoden, mit denen sich die Aktivität im Kopf überhaupt vermessen ließe. Zwar können Forscher die elektrischen Impulse, mit denen Nervenzellen kommunizieren, schon seit Jahrzehnten mit dünnen Elektroden messen, die sie direkt ins Gewebe piksen.  Für ein oder einige wenige Neurone reicht diese Technologie aus. Aber für Millionen vernetzet Hirnzellen? „Das ist, als wolle man ein HDTV-Programm gucken, indem man nur ein oder ein paar einzelne Pixel anschaut“, sagt Rafael Yuste. Kernspin-Aufnahmen können wiederum die Aktivität einer großen Anzahl von Zellen wiedergeben, jedoch mit einer sehr schlechten zeitlichen Auflösung. Neuronen feuern aber elektrische Impulse im Bereich von Tausendstelsekunden ab.

Moderne Verfahren machen daher Kalzium im Nervengewebe sichtbar. „Da bei jeder Reizübertragung zwischen Neuronen Kalzium als Botenstoff ausgeschüttet wird, ist das eine gute quantitative Darstellung“, sagt der Neurophysiologe Arthur Konnerth von der TU München. Verwendet werden fluoreszierende Farbstoffe, die auf die Bindung von Kalzium-Ionen reagieren. Forscher bringen sie mit einer Elektrode ins Gewebe - oder mit Genen. Die Versuchstiere stellen die Farbstoffe dann selbst her. „Dabei lassen sich heute ganz gezielt bestimmte Zelltypen ansteuern“, beschreibt Arthur Konnerth. „Es ist zum Beispiel möglich, genetisch codierte Kalziumindikatoren in alle sogenannten Pyramidenzellen einer ganz bestimmten Schicht in der Großhirnrinde einbringen und dabei noch zwei verschiedene Farben für hemmende und für erregende Nervenzellen verwenden.“ Eine ähnliche Technik macht Spannungsabfälle oder Anstiege sichtbar. Optogenetische Methoden erlauben Wissenschaftlern zudem, mit Lichtimpulsen gezielt bestimmte Schaltkreise oder Hirnregionen an- und auszuschalten. Entscheidend ist: Die neuen Methoden lassen sich auch an lebenden, frei beweglichen Tieren einsetzen. Ausgefeilte Werkzeuge sind also vorhanden, aber sie reichen noch nicht aus. „Mit Kalzium-Indikatoren kann man heute simultan leicht die Aktivität von 100 bis 200 Nervenzellen abbilden. Das Potenzial für bis zu 1000 Zellen ist da, für das Brain Activity Map-Projekt sind aber ganz andere Größenordnungen nötig“, sagt Konnerth.

Das sehen auch die Initiatoren des amerikanischen Forschungsprojekt so. Und mit den Methoden sollen auch die Ziele wachsen. Zunächst, schlagen sie vor, sollten die Beteiligten an einfachen Modellorganismen wie dem Fadenwurm C. Elegans oder eine einzelne Gehirnregion der Fruchtfliege Drosophila arbeiten. Parallel mit der Weiterentwicklung der Technologie wollen sie sich über einen Zeitraum von 15 Jahren zu Hirnarealen der Maus oder dem kleinsten bekannten Säugetier, der Etruskerspitzmaus, vielleicht sogar zu Primaten vorantasten (siehe Grafik). Forschung am Menschen sehen die Amerikaner nicht vor – abgesehen von der Komplexität des menschlichen Gehirns verbieten Methoden mit Farbstoffinjektionen oder gar genetisch manipulierten Neuronen sich aus ethischen Gründen von selbst. „Wir schließen eine Ausdehnung des Projekts auf Menschen nicht aus“, erklärt Rafael Yuste, doch dazu müssten die „speziellen Herausforderungen“, wie er es nennt, frühzeitig mit dem Vorantreiben entsprechender Technologien adressiert werden.

Auch das europäische Human Brain Projekt wird deshalb auf Daten aus Tierexperimenten zurückgreifen müssen. Direktor Henry Markram von der École Polytechnique Fédérale in Lausanne glaubt, dass sich daraus dennoch eine Computersimulation des menschlichen Gehirns ableiten lässt. Unter den Kollegen sehen das viele anders: Aus Markrams Vorgängerprojekt „Blue Brain“ sei innerhalb von acht Jahren kein Erkenntnisgewinn über die Hirnfunktion hervorgegangen sei, weshalb auch vom Human Brain Projekt kaum Ergebnisse zu erwarten seien.

Gerade in Deutschland halten einige Neurowissenschaftler das Human Brain Projekt für die falsche Investition zur falschen Zeit. Denn viele der neuen Methoden, die das US-Kartierungsvorhaben erst möglich machen, wurden maßgeblich in Deutschland entwickelt. Winfried Denk vom Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in München, hat beispielsweise die Zwei-Photonen-Mikroskopie als Technik zur Beobachtung von Zellen in lebendem Gewebe erfunden, die aus der Erforschung neuronaler Schaltkreise nicht mehr wegzudenken ist. Auch die optischen Verfahren mit Kalzium-Indikatoren wurden an deutschen Forschungsinstituten entscheidend vorangetrieben. Es erscheint vielen deshalb  politisch unklug, dass am Ende nun die Amerikaner nicht nur den Ruhm, sondern auch mögliche Gewinne einheimsen könnten: Denn Barack Obama warb in seiner Rede auch mit wirtschaftlichen Argumenten für das US-Vorhaben. Beim Humangenom, mit dessen Entschlüsselung die Hirn-Projekte häufig verglichen werden, seien für jeden investierten Dollar 140 Dollar in die US-Wirtschaft zurückgeflossen. „Es wäre gut, wenn Deutschland in eine ähnliche Richtung wie das amerikanische Projekt gehen würde“, bemerkt Artur Konnerth.

Der Fokus des europäischen Forschungskonsortiums liegt ohnehin nicht auf Biologie, sondern auf Informations- und Kommunikationstechnik, betont Markus Diesmann, Professor am Forschungszentrum Jülich, der am Human Brain Projekt beteiligt ist: „In einem Kubikmillimeter Hirnmasse liegen 100.000 Nervenzellen. Jede davon ist mit bis zu 10.000 anderen verbunden. Diese Verbindungskomplexität kann von der Halbleitertechnik heute nicht erreicht werden“, erklärt Diesmann. „Wenn wir das simulieren können, können wir auch viel bessere Computer bauen.“ Allein die Skala der Probleme, die dabei zu bewältigen ist, werde die Computertechnologie vorantreiben. Diesmann glaubt, dass sich US- und EU-Projekt letztendlich sogar ergänzen - wenn die Aktivitätsdaten irgendwann einmal das dann fertiggestellte Simulationsprogramm füttern.

Es bleibt die Frage, ob die Sparwut in den USA die Activity Map in der geplanten Form noch verhindern. Nachdem sich Republikaner und Demokraten nicht über einen Haushalt einigen konnten, treten automatischen Budgetkürzungen in Kraft.  Die Gesamtausgaben für Forschung und Entwicklung sinken allein dieses Jahr um 8,7 Milliarden Dollar. Es wäre der richtige Zeitpunkt für andere, in die Bresche zu springen. Zum Beispiel Deutschland.

 

 

 

 

 

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