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Wolf Singer (l.) und Jürgen Knoblich © Sandra Schartel
Wolf Singer (l.) und Jürgen Knoblich © Sandra Schartel

APA

Welche Nüsse die Gehirnforschung noch zu knacken hat

12.02.2020

Der deutsche Hirnforscher Wolf Singer beschäftigt sich seit Jahrzehnten mit den neuronalen Grundlagen höherer kognitiver Funktionen. Gemeinsam mit Jürgen Knoblich, Direktor des Instituts für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), beantwortete er APA-Science Fragen nach dem Status quo und der Zukunft der Hirnforschung und erklärte, was er in seinem Forscherleben noch erreichen möchte.

Singer war am 11. Februar zu Gast bei der IMBA-Veranstaltung "Meet the experts - Wunderwerk Gehirn" in Wien. Sein Vortrag trug den Titel "Die Komplexität unserer Gehirne übersteigt unser Vorstellungsvermögen."

APA-Science: Herr Singer, in Ihrem Vortrag geht es um den Widerspruch zwischen unserer Intuition, die Funktionsabläufe im Gehirn zu verstehen und den tatsächlichen neurobiologischen Erkenntnissen. Was meinen Sie damit?

Singer: Damit meine ich, dass wenn wir nach innen schauen - was man natürlich auch mit kontemplativen Techniken machen kann -, wir das Gefühl haben, dass irgendwo im Kopf eine Zentrale zu verorten wäre, in der die Entscheidungen fallen, wo die Wahrnehmungen programmiert werden, und wo letztlich das autonome Ich zu verorten wäre, das Entscheidungen trifft. Und das relativ frei von all den physikalischen und chemischen Bedingungen, die da herrschen. Wenn man aber ins Gehirn hineinschaut, also sich nicht aus der Erste-Person-Perspektive damit befasst, sondern aus der Dritte-Person-Perspektive der Wissenschaft, sieht man, dass es da ganz anders aussieht.

Man sieht ein extrem distributiv organisiertes System, das horizontal organisiert ist, das sich ohne einen Dirigenten zurechtfindet, sondern sich selbst organisiert, seine eigenen Gleichgewichte findet, selbst erkennen kann als verteiltes System, wann sein eigener Zustand konsistent ist, ein Ergebnis darstellt oder wenn Konflikte auftreten. Das heißt, dieses Ensemble von Milliarden von Zellen, die untereinander verkoppelt sind, ist auf eine Weise zusammengeschaltet, dass kohärente Zustände entstehen können und diese sind dann die Ursache für Gedanken, Sprache, Verhalten, Entscheidungen und letztlich auch für die Selbstwahrnehmung, ein autonomes Ich zu sein. Und das ist eine etwas ungewohnte Vorstellung, mit der man sich aber abfinden muss, weil das tatsächlich so ist.

Womit wir bei dem Paradoxon wären, dass das Gehirn sich selbst begreifen soll...

Singer: Das ist glaube ich weniger das Problem, weil sich natürlich in der Gehirnforschung ganz viele Gehirne über ein einzelnes Exemplar beugen. Man beschreibt das aus der Dritte-Person-Perspektive. Problematisch wird es in dem Moment, wo man versucht, zwischen diesen biochemischen, biophysikalischen Vorgängen auf der neuronalen Ebene - das sind materielle Prozesse - und dem subjektiven Empfinden, ein Wesen zu sein, das Teil hat an einer spirituellen, immateriellen Dimension. Dieser Phasenübergang von neuronalen Prozessen in nicht-materielle, bewusste Prozesse, ist das schwierige Problem der Bewusstseinsforschung, das sogenannte Hard Problem. Das lässt sich - aber das ist meine ganz persönliche Einschätzung - nicht überwinden und lösen, indem man nur einzelne Gehirne anschaut.

Man kommt dem Problem aber ein bisschen näher, wenn man davon ausgeht, dass Gehirne insgesamt - Menschen die sich gegenseitig abbilden können, die kommunikationsfähig sind -, in der Lage waren, sogenannte soziale Realitäten zu erzeugen. Das zeigt einem ja die kulturelle Evolution. Das sind immaterielle Realitäten, die wir der materiellen Welt hinzugefügt haben, also Konzepte, Glaubensinhalte, Verabredungen, Zuschreibungen, die aber durchaus aus materiellen Prozessen hervorgegangen sind, weil ja letztlich die Gedanken und die Sprache auf den neuronalen Systemen in den einzelnen Personen existieren, die aber, wenn sie zusammen ums Lagerfeuer sitzen und sich gegenseitig abbilden, eine neue Schicht der Realität entwickeln. Und in dieser Schicht werden auch so etwas wie Bewusstsein und die psychischen Inhalte definiert. Und wenn man diesen Umweg geht, also die kulturelle Evolution mit den sozialen Realitäten mit einbezieht, dann wird es leichter. Dann kommt man nämlich darauf, dass diese immateriellen Qualitäten Zuschreibungen sind.

Ist für Sie, Herr Knoblich, das Bewusstsein bei Organoiden (in Kulturschalen gezüchtete Nervenzellhaufen, die Gehirnen in einem frühen Entwicklungsstadium ähneln; Anm.) überhaupt ein Thema, oder sind wir da noch weit davon entfernt?

Knoblich: Da muss man zwei Dinge sagen: Das eine ist, wir sind sehr weit davon entfernt. Organoide sind ein System, das es uns erlaubt, die Entwicklung des Gehirns zu verstehen. Und da sprechen wir wirklich über die sehr frühe Embryonalentwicklung. Bisher wurde das größtenteils in Tierversuchen gemacht. Das hat eigentlich sehr gut funktioniert, wir wissen sehr viel über die verschiedenen Nervenzellen, wie sie sich aufbauen, wie sie sich entwickeln, wo die Stammzellen sind usw. Das große Problem bei der Sache ist, dass wir eine riesengroße Lücke haben im Verständnis der Spezialitäten unseres eigenen Gehirns. Und da hat man längere Zeit gedacht, das menschliche Gehirn ist nur eine aufgeblasene Version des Mausgehirns. Dazu muss man aber sagen, dass während der Entwicklung des menschlichen Gehirns zum Beispiel in der Embryonalentwicklung die Zahl der Nervenzellen eines Mausgehirns alle vier Stunden erzeugt wird. Das heißt die Dimension ist so unsagbar viel größer.

Und das zweite ist, dass unser Gehirn eben nicht einfach eine vergrößerte Version ist, sondern dass es andere Organisationsprinzipien gibt, andere Zelltypen, andere Prinzipien, wie Nervenzellen entstehen und über diese Dinge wissen wir nicht Bescheid. Ein kleines Beispiel: Erst vor etwa zwei Jahren wurde entdeckt, dass das Vorderhirn, wo unsere kognitiven Prozesse sitzen, bei einem neugeborenen menschlichen Baby vollkommen unkomplett ist, dass ein Großteil der Nervenzellen erst danach geboren wird, und da einwandert und dass da erst die neuronalen Stammzellen festgelegt werden. Das ist ein Prozess, der findet beim Menschen statt, aber bei den gängigen Labortieren eben nicht. Und die Frage ist, wie untersucht man nun so etwas. Und wir haben angefangen, diesen Prozess in Organoiden nachzubauen, und das geht. Da können wir wirklich fundamentale Erkenntnisse daraus gewinnen.

Der Vorteil bei Organoiden ist, wir können etwas über die Entwicklung lernen. Und worüber wir auch etwas lernen können, ist über Erkrankungen. Wir reden hier von schweren Erkrankungen - Epilepsie, Autismus, vielleicht in ferner Zukunft sogar Schizophrenie. Aber Bewusstsein oder höhere kognitive Vorgänge, das ist noch sehr weit weg. Man muss dazu auch sagen, Organoide sind ein System in der Entwicklung. Wir sind ganz am Anfang der Organoid-Forschung. Wo das noch hingeht, werden wir sehen. Aber Bewusstsein, glaube ich, das kann man einmal getrost ausschließen. Zumindest solange ich noch unter den Lebenden weile, wird das nicht passieren.

Versuchen wir ganz kurz, den Status quo der Gehirnforschung einzufangen. Herr Singer, Sie haben Jahrzehnte in diesem Bereich geforscht, haben 2004 mit anderen Forschern ein Manifest verfasst mit einem Ausblick in die Zukunft. Dann werden Sie immer wieder mit der Aussage zitiert, Sie wüssten heute weniger über das Gehirn als vor 20 Jahren. Wie ist das gemeint, und wo steht man denn heute tatsächlich in der Hirnforschung?

Singer: Das stimmt immer noch. Es gab eine Weile, es war wohl, als ich angefangen habe, in dieses Feld zu kommen als junger Wissenschaftler, wo wir dachten, wir wissen, welchen Pfad wir einschlagen müssen, um relativ bald zum Erfolg zu kommen. Die Vorstellung war sehr stark geprägt von der Kybernetik, die damals en vogue war, dass es genügen würde, von Eingangschichten, von Rezeptorschichten aus sich ins Gehirn vorzuarbeiten, bis hoch zur Motorik, dann kommt man auf der Effektorseite wieder aus dem Gehirn raus. Und wenn man diesen Weg nur sehr sorgfältig beschreitet, würde man verstanden haben, wie es funktioniert.

Wir waren geprägt auch durch die Art und Weise, wie künstliche Systeme strukturiert sind. In denen fließt die Information auch von einer Eingangsschicht in irgendeine Ausgangsschicht, immer in die gleiche Richtung. Die große Enttäuschung - wobei für mich ist es eher etwas Euphorisierendes - ist jetzt die Erkenntnis, dass es im Gehirn gänzlich anders zugeht, dass dort Prinzipien verwirklicht sind, die weit weg sind von diesem linearen Verarbeiten in hierarchischen Systemen, sondern dass wir ein extrem komplexes, horizontal organisiertes, distributives System vor uns haben, das fähig ist, eine unglaublich komplexe Dynamik zu entwickeln. Die ist uns nicht vorstellbar, weil die Dimensionalität so hoch ist. Es wird offenbar in diesem hochdimensionalen Raum gerechnet und gearbeitet. Was da genau passiert und wie das geht, das lässt sich intuitiv nicht mehr so leicht erfassen.

Wir können dann Analogien heranziehen, können schauen, wie macht es denn der Quantencomputer, der kann auch so hoch parallel arbeiten, ist das vielleicht ein ähnliches Prinzip. Es ist sicher nicht so, dass die Quantenphysik im Gehirn irgendeine Rolle spielt. Es ist dort viel zu warm, zu weich und feucht. Aber die Prinzipien könnten vielleicht ähnlich sein, die Prinzipien der Parallelverarbeitung, der Superposition von Wissen. Wir sind also am Anfang einer neuen Epoche, so kommt es mir vor. Wir haben die lineare Systemtheorie abgelöst, wir sind jetzt mehr in der Welt der Komplexitätstheorie, der komplexen nichtlinearen Systeme, die sich nahe am Chaos befinden und müssen jetzt versuchen, zu verstehen, wie man solche Systeme am besten analysiert. Wir wissen jetzt schon, das wird nur gehen, wenn man von ganz vielen Nervenzellen gleichzeitig ableiten kann. Die Technologie steht uns jetzt zur Verfügung.

Und zwar?

Singer: Wir haben einmal die Möglichkeit, mit silikonbasierten Elektrodenmatrizen Elektroden einzuführen, die bis zu 1.000 Kontakte haben. Und dann gibt es neuerdings Methoden, die durch die Gentechnik erschlossen worden sind, dass man Gene in Nervenzellen schmuggelt - über Viren oder gleich von Anbeginn an. Diese Gene bringen Zellen dazu, Proteine zu erzeugen, die in die Membran eingebaut werden, die dann in anderen Farben leuchten oder fluoreszieren, wenn die Zellen erregt sind, oder die andere Farben annehmen, wenn sie sehr viele Kalziumionen sehen, was ein Korrelat von Aktivierung ist. Auf diese Weise kann man dann mit hochauflösenden Mikroskopen Tausende von Zellen auf einmal sehen und schauen, wann welche Zellen bei welchem Verhalten aktiv sind. Das geht inzwischen bei den Larven vom Zebrafisch, der ist durchsichtig, da kann man das gesamte Nervensystem im frei beweglichen Tier in Echtzeit mehr oder weniger abbilden und sehen, was passiert, wenn er nach rechts schwimmt, nach links schwimmt oder sich überlegt, wo die nächste Beute zu suchen wäre.

Wie sieht es mit der Kartierung des menschlichen Gehirns aus, wie sie immer wieder in Aussicht gestellt wird?

Singer: Es gibt jetzt viele Ansätze, das Konnektom, also die Art wie das Gehirn verbunden ist, in möglichst hoher Auflösung zu erhalten. Das geht in Grenzen schon mit nichtinvasiven Verfahren, man kann es noch weiter vervollständigen, indem man post mortem Gehirne untersucht. Aber man kann jetzt schon durch Diffusion Tensor Imaging, eine Art Kernspintomografie, Faserverläufe von lebenden Menschen untersuchen. Das gibt sehr schöne Bilder, und man kann damit Analogien finden zu Primatengehirnen, die man invasiv untersuchen kann. Die Möglichkeit, aus dem menschlichen Gehirn Aktivitäten mit der erforderlichen Auflösung räumlich und zeitlich abzugreifen, die man bräuchte um zu verstehen wie diese hochdimensionalen Prozesse ablaufen, sind leider sehr begrenzt.

Welche Disziplinen oder Methoden könnten in Zukunft wichtige Beiträge für das Verständnis des Gehirns leisten - von künstlicher Intelligenz bis hin zur Psychedelika-Forschung?

Singer: Mit den Psychedelics werden wir wenig über die Funktionsweise des Gehirns in Erfahrung bringen. Der Einsatz von Großrechenanlagen, ich würde das jetzt nicht KI nennen, sondern einfach die Möglichkeit, sehr viele Parameter verarbeiten zu können, ist unerlässlich. Wir brauchen immer mehr Wissenschafter in unserem Bereich, die sowohl in der Biologie als auch in der Mathematik, Statistik und in der Physik zuhause sind. Diese neue Generation wächst jetzt heran und wird eine ganz wichtige Rolle spielen. Ich bin selber Mediziner gewesen und ich kann in diese Welt nicht mehr vordringen, weil ich die Mathematik nicht beherrsche. Ich muss da mit Kollegen zusammenarbeiten, die in der Mathematik groß geworden sind.

Was sind für Sie die größten Erkenntnislücken in der Hirnforschung? Sie haben das Bewusstsein bereits angesprochen - woran wird noch gearbeitet, was unglaublich schwierig zu enträtseln ist?

Knoblich: Es gibt verschiedene Arten von Erkenntnislücken. An den wirklich großen Lücken kann man nicht einmal arbeiten. Zum Beispiel an der Verbindung zwischen dem materiellen Gehirn und dem, was wir als Psyche empfinden.

Gibt es einen Namen für dieses Problem?

Singer: The hard problem of consciousness (das schwierige Problem des Bewusstseins; Anm.).

Knoblich: Sie haben danach gefragt, woran zurzeit gearbeitet wird. Da muss man jetzt die Bereiche von Herrn Professor Singer und mir schon ein bisschen unterscheiden. Wir beschäftigen uns mit der Evolutionsbiologie, da kann ich das schon beantworten. Viele der Dinge, die Sie erwähnt haben, verwenden wir auch in Organoiden. Diese leuchtenden Proteine geben wir auch in Organoide, natürlich in einem viel chaotischeren Zusammenhang. Die Elektroden kommen hier auch zum Einsatz, aber uns geht es immer darum, wie bildet sich das aus. Das ist ein grundsätzlich unterschiedlicher Ansatz des Erkenntnisgewinns über ein zentrales Nervensystem. Wir beschäftigen uns nicht damit, wie funktioniert es, wenn wir denken, sondern wie ist der Bauplan, welche Dinge kommen zum Tragen. Das ist die Stärke der Organoide, damit versuchen wir zu zeigen, was beim Menschen anders läuft als bei den Tieren.

Wie Sie schon angedeutet haben, bearbeiten Sie beide ganz verschiedene Organisationsebenen und Funktionsweisen des Gehirns. Gibt es trotzdem Gemeinsamkeiten oder Überschneidungen?

Knoblich: Es gibt eine, das ist das Konnektom. Wobei ich mir niemals anmaßen würde, dass wir aus dem Konnektom (Schaltplan; Anm.) eines Organoids allzu viel lernen können über das Konnektom eines wirklichen Gehirns. Dafür ist dieses Modell einfach nicht geeignet. Was wir aber schon machen können, wenn wir das Konnektom eines Organoids einmal haben, ist, den Einfluss verschiedener Gene auf dieses Konnektom zu bestimmen. Weil in die können wir sehr gut wie einem Word Processor reinschreiben, löschen, einsetzen, einschalten, ausschalten. Und daraus kann man dann wieder Rückschlüsse darauf ziehen, welche Einflüsse bestimmte Veränderungen in diesem Mini-Konnektom dann auf das Verhalten haben, wenn man sich dann anschaut, was mit Menschen passiert, die diese genetischen Veränderungen haben.

Sie arbeiten beide in Bereichen, wo Sie auch immer wieder mit Kritik im Zusammenhang mit ethischen Fragestellungen konfrontiert werden, von Tierversuchen bis Stammzellforschung. Wie begegnen Sie den häufigsten Kritikpunkten?

Singer: Für uns gibt es einmal das ethische Problem der Tierversuche. Ich habe mich sehr intensiv damit befasst, weil ich viele Jahre lang Zielperson der Tierversuchsgegner war. Wir haben dazu auch in der Max-Planck-Gesellschaft ein Weißbuch entwickelt, in dem man nachlesen kann, wie Grundlagenforschung - die ja nicht gleich zu anwendbaren Ergebnissen führen wird - zu rechtfertigen ist.

Solange Menschen handelnd in ihre Geschicke eingreifen, und das tun wir ständig, nicht nur als Mediziner, ist es notwendig, so viel wie möglich über die Welt zu verstehen, um verantwortungsvoll handeln zu können. Wollen wir das nicht, dann müssen wir aufhören, mit lebenden Prozessen wechselzuwirken. Wir müssen also versuchen, so viel wie möglich zu begreifen, um zielgerichtet und ohne Kollateralschäden eingreifen zu können, wo wir das tun wollen. Und in der Medizin wollen wir das natürlich auf jeden Fall tun. Weil ganz große Probleme nach wie vor völlig ungelöst sind, wenn Sie an Geisteskrankheiten denken. Für die haben wir keine vernünftigen Modelle und keine Therapien.

Deshalb gibt es eine ethische Rechtfertigung. Es sei denn, man stellt sich auf einen de-ontologischen ethischen Standpunkt und sagt, Leben ist generell zu schützen und darf nicht für andere Zwecke verwendet werden. Dann muss ich allerdings aufhören, überhaupt Fliegen zu zerdrücken und so weiter. Da muss ich konsequent sein. Und diese Konsequenz wäre mit menschlichem Überleben nicht kompatibel.

Herr Knoblich, mit welchen ethischen Kritikpunkten sind oder waren Sie konfrontiert?

Knoblich: Zunächst einmal entwickeln wir ja Alternativen zu Tierversuchen, wobei ich mich klar auf den Standpunkt stelle, dass Organoide niemals Tierversuche ersetzen werden. Es wird uns vielleicht gelingen, diese gezielter zu machen und besser auf den Menschen zu übertragen. Aber jeder der behauptet, wir haben jetzt Organoide und wir brauchen keine Tierversuche mehr, der sagt bewusst die Unwahrheit. Es gibt die Kritik an der Stammzellforschung, weil ursprünglich embryonale Stammzellen aus menschlichen Föten hergestellt wurden. Diese Kritik ist ziemlich abgeebbt, weil wir ja jetzt iPS-Zellen (induzierte pluripotente Stammzellen; Anm.) haben und auf die Herstellung neuer embryonaler Stammzelllinien nicht mehr unbedingt angewiesen sind.

Und dann gibt es diese Kritik, dass diese Organoide irgendwann ein Bewusstsein entwickeln könnten und ethisch besonders zu bewerten sind. Professor Singer und ich sind Teil einer Kommission in der deutschen Akademie der Wissenschaften, die sich damit auseinandersetzt. Ich glaube es ist wichtig, dass wir uns auseinandersetzen, es ist aber auch wichtig, in Gesprächen mit Philosophen, Ethikern und Juristen zu betonen, dass dieses Problem nicht existiert. Dieses Problem existiert ganz fundamental nicht. Aber wenn Menschen Angst haben, dann sind wir in der Verantwortung und müssen uns damit befassen. Die Art und Weise, wie wir dem begegnen ist, dass wir versuchen, einen Kriterienkatalog zu erstellen: Was müsste, ganz egal wie absurd das ist, der Fall sein, damit wir sagen könnten, ein Organoid empfindet Schmerz oder er hat einen Willen? Aber dann wird man auch klar sehen, dass wie Lichtjahre davon weg sind. Man wird auch nie dahinkommen. Da ist auch ein Organoid ein völlig falscher Ansatz.

Die Benennung der Organoide mit "Mini-Hirn" hat in der Sache wohl auch nicht geholfen?

Knoblich: Das hat gar nicht geholfen. Aber ich möchte deswegen auch klar machen, deswegen sind sie nicht schlechter. Wir brauchen das nämlich gar nicht, wir verwenden sie ja nicht für die Bewusstseinsforschung, sondern um Zelltypen zu erkennen, um Genetik zu machen, um Krankheiten zu erforschen. Dafür brauchen sie kein Bewusstsein zu haben.

Welche Nuss möchten Sie in Ihrem Forscherleben gerne noch knacken?

Singer (lacht): Ich würde gerne verstehen, was die Großhirnrinde macht, um so extrem effizient zu sein und was das Geheimnis war, warum sie in der Evolution so stark hochskaliert worden ist. Sie muss ein Prinzip verwirklicht haben, das auf geniale Weise auf ganz unterschiedliche Problemlösungen anwendbar ist und sich radikal unterscheidet von allem, was wir in künstlichen Systemen kennen. Dieses Faszinosum möchte ich noch gerne lösen bzw. ich möchte dabei sein, wenn es gelöst wird.

Knoblich: Wenn man sich genetische Veränderungen anschaut, die letztendlich zu schwersten neurologischen Erkrankungen wie Schizophrenie oder Autismus führen, dann sind das meistens ganz einfache Moleküle, die ganz grundlegende, einfache, aber generelle Prozesse stören. Zum Beispiel wird Schizophrenie-Mutationen nachgesagt, sie würden einfach generell die synaptische Übertragung stören. Und diesen Zusammenhang aus einer einfachen Zellbiologie und letztendlich einem Krankheitsbild, das extrem komplex ist und kognitiv, das würde ich gerne knacken. Ich bin von meiner Herkunft her Drosophila-Genetiker, und durch meine Ausbildung bei Frau Nüsslein-Volhard (deutsche Biologin, Biochemikerin und Nobelpreisträgerin; Anm.) habe ich gelernt, dass Mutationen bei Fliegen zu den größten Erkenntnisgewinnen geführt haben. Ich hoffe, dass wir auch über Krankheiten letztendlich etwas über die Funktionsweise unseres Gehirns lernen werden, das dann wieder unseren Patienten zugutekommt.

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Zu den Personen:

Wolf Singer studierte Medizin in München und Paris. Er ist Direktor emeritus am Max-Planck-Institut für Hirnforschung (MPI) in Frankfurt, Gründungsdirektor des Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) und des Ernst Strüngmann Institute for Neuroscience in Cooperation with Max Planck Society (ESI) sowie wissenschaftlicher Leiter des Ernst Strüngmann Forums. Seine Forschungsschwerpunkte sind neuronale Grundlagen höherer kognitiver Funktionen.

Jürgen Knoblich ist Direktor des Instituts für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Der Stammzellforscher wurde vor allem für die Entwicklung von Organoiden bekannt. Die aus Stammzellen gewonnenen Gewebestückchen bilden die frühen Stadien der menschlichen Gehirnentwicklung nach und erlauben die Erforschung von Gehirnerkrankungen wie zum Beispiel Autismus oder Epilepsie.

Das Gespräch führte Mario Wasserfaller / APA-Science

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